UPThèses

Lorsque deux matériaux sont frottés l’un contre l’autre ou simplement mis en contact, ils acquièrent chacun une charge électrique de signes opposés. Ce mécanisme d’acquisition de charge, connu depuis l’antiquité et portant le nom de triboélectricité, n’est toujours pas totalement maitrisé. Différentes explications et plusieurs théories et hypothèses contradictoires existent. C’est pour cela que les recherches sur ce sujet doivent toujours continuer et essayer d’élucider plusieurs mystères et répondre à différentes questions qui persistent autour de la triboélectrification. Le travail mené dans le cadre de cette thèse de doctorat a eu comme un de ses objectif l'étude de l'influence de différents facteurs (temps de traitement, épaisseur du diélectrique, distance inter-électrodes...etc.) de la décharge à barrière diélectrique (DBD) sur l'évolution de la rugosité de surface de plaques de polypropylène exposées à un plasma froid. Ce travail a visé également à mettre en évidence les corrélations qui pourraient exister entre la modification de la rugosité et le potentiel électrique généré par effet triboélectrique à la surface du polypropylène traité par DBD atmosphérique. En effet, le traitement DBD a une influence directe sur la rugosité et sur le potentiel électrique de surface : l'exposition au plasma froid conduit à une surface plus rugueuse, qui se charge mieux par effet triboélectrique que la surface initiale. L’influence de l’humidité ambiante sur le comportement triboélectrique des polymères a également été étudiée, confirmant son influence sur le niveau de charge ainsi que son signe.

La séparation électrostatique désigne l’ensemble des méthodes qui font usage des forces exercées par le champ électrique sur des particules chargées ou polarisées, pour faire le tri des constituants de mélanges granulaires. L'efficacité et la qualité de la séparation électrostatique dépendent de la charge électrique acquise par les particules dans les dispositifs de tribochargement appropriés. L’objectif cette thèse a été de trouver des solutions techniques viables aux problèmes de séparation électrostatique des matériaux plastiques granulaires, pour des applications au recyclage des déchets d’équipements électriques et électroniques. En effet la société CITF, partenaire de cette thèse CIFRE, vise de pouvoir proposer à ses clients des installations capables d’assurer le traitement d’une gamme élargie de mélanges de plastiques granulaires recyclables, avec des rendements de séparation élevés et une meilleure efficacité énergétique. Afin d’atteindre cet objectif, la thèse a dû répondre répondre en amont à plusieurs questions d’intérêt scientifique indéniable : (1) Quels mécanismes physiques (contact particule – particule, contact particule-parois), et quels types de dispositifs de charge (à vibrations, à cylindre tournant, à lit fluidisé,…) pour quels types de mélange de matériaux plastiques granulaires ? (2) Comment évaluer la faisabilité de la séparation triboélectrostatique d’un mélange ? (3) Quelles sont les limites des procédés actuels de séparation triboélectrostatique et quelles sont les solutions pour lever les verrous technologiques ? L’originalité de la démarche repose sur la mise en œuvre de techniques expérimentales de pointe pour une investigation pluridisciplinaire et multi-échelles des phénomènes triboélectriques, électrostatiques et aérodynamiques dont l’utilisation associée au prétraitement des matériaux par une décharge à barrière diélectrique rendrait possible la séparation de mélanges de matériaux plastiques granulaires de tailles < 10 mm.

L'objectif principal de la thèse a été d'étudier le comportement triboélectrique des contacts glissants à sec entre matériaux polymères (ABS, PE, PP, PS et deux types de PVC), incluant la possibilité de contrôler et d'optimiser les résultats générés, en termes de charge électrique et d’usure. Un tribomètre linéaire a été conçu et construit, afin de permettre le réglage des principales variables de contrôle du processus de charge triboélectrique : force normale, vitesse de glissement, durée et course. Ce dispositif facilite la mesure de certaines grandeurs physiques caractérisant les conditions de frottement: les variations des forces normale et tangentielle, ainsi que le déplacement relatif entre les éprouvettes. De plus, la charge électrique générée et l’augmentation de la température à la surface du polymère ont été aussi été mesurées et mise en relation avec les propriétés tribologiques. Les expériences ont montré que le niveau et la distribution de la charge générée par le frottement sec dépendent de la force normale appliquée, du temps de frottement (le nombre de cycles), de la vitesse de glissement, des propriétés mécaniques des matériaux et de la rugosité ou de la texture des surfaces en contact. La décharge couronne peut être utilisée pour déposer une charge initiale sur les surfaces avant le glissement. La modélisation du processus de charge triboélectrique a été faite avec la méthodologie des plans d’expériences. Les résultats peuvent alors être utilisés pour prédire et optimiser la charge triboélectrique. Des cartes de contrôle peuvent assurer le monitoring du processus et la détection de variations non-maîtrisés de la charge générée par effet triboélectrique.

La démarche expérimentale menée dans cette thèse CIFRE a eu comme objectif l’étude de la faisabilité de la séparation électrostatique d’une large gamme de mélanges de matériaux granulaires issus de déchets d’équipements électriques et électroniques (conducteur – isolant, conducteur – conducteur et isolant – isolant). Trois mécanismes physiques de charge électriques ont été mis en oeuvre : l’induction électrostatique, la décharge couronne et l’effet triboélectrique. Un dispositif de charge de laboratoire et deux séparateurs électrostatiques industriels ont été conçus et réalisés. Le dispositif de charge à cylindre(s) tournant(s) permet la charge triboélectrique de matériaux plastiques. Le prototype de séparateur industriel a d’abord été réalisé pour le traitement de mélanges granulaires conducteur – isolant puis a été adapté à la séparation isolant – isolant. Les trois mécanismes de charge peuvent y être utilisés. Ce prototype a permis la fabrication du premier séparateur électrostatique de série de la société CITF dédié à la séparation de déchets de câbles électriques. Des mesures de charge et de masse ainsi que des simulations et visualisations des trajectoires des particules par caméra rapide ont facilité l’analyse des phénomènes. La méthode des plans d’expérience a permis d’identifier les facteurs influents sur les processus de séparation et de définir leur point de fonctionnement optimal. L’influence d’une décharge à barrière diélectrique sur la charge triboélectrique et la séparation électrostatique de mélanges plastiques a été étudiée. Les travaux réalisés dans cette thèse ont confirmé la séparabilité électrostatique de mélanges de matériaux granulaires.

La démarche expérimentale menée dans cette thèse a eu comme objectif l'étude de la faisabilité de la séparation électrostatique d'une large gamme de mélanges de matériaux pulvérulents provenant du recyclage des déchets (Al, Cu, ABS, polycarbonate, polystyrène) ou de l'industrie agro-alimentaire (paille, copeaux de bois, semoule). Les recherches se sont focalisées sur des techniques faisant appel à trois mécanismes physiques différents pour la charge des matériaux : la décharge couronne, l'induction électrostatique et l'effet tribo-électrique. Deux nouvelles installations ont été conçues et réalisées, permettent de faciliter la compréhension des phénomènes physiques rencontrés lors de la séparation des particules sous-millimétriques, dont les trajectoires sont difficile à contrôler, en raison des importantes forces aérodynamiques en jeu. La première installation, le séparateur électrostatique multifonctions à électrode-convoyeur, donne la possibilité d'étudier un ou plusieurs des trois mécanismes de charge, en rapport avec les propriétés électriques des matériaux à traiter. La deuxième installation, le séparateur tribo-aéro-électrostatique à électrodes-disques-tournantes, utilise seulement l'effet tribo-électrique pour la charge des matériaux isolants dans un lit fluidisé. Le système de mesures simultanées et continues de la masse et de la charge électrique des produits collectés a facilité l'analyse des phénomènes. Les recherches ont permis de confirmer la séparabilité électrostatique des mélanges de matériaux pulvérulents, en faisant appel à la méthodologie des plans d'expériences pour identifier les facteurs influents et trouver le point de fonctionnement optimal.

Le chargement dynamique des paliers hydrodynamiques et des amortisseurs à film fluide soumet le film lubrifiant à une action d'écrasement périodique. Cette sollicitation conditionne la portance du film lubrifiant et peut engendrer sa rupture, créant ainsi des conditions sévères de fonctionnement. L'étude approfondie, tant expérimentale que numérique du comportement du film soumis à une action d'écrasement périodique, s'avère donc indispensable pour pouvoir maîtriser les performances de ces dispositifs. Pour ce faire, trois codes de calcul numérique sont développés dans le cadre de cette thèse. Ces codes sont basés sur la théorie de JFO. Les équations établies sont discrétisées en différences finies et en éléments finis. Pour un film d'huile écrasé périodiquement, à faibles fréquences, entre deux surfaces conformes, les prédictions numériques de ces trois codes sont très proches. Par ailleurs, les visualisations numériques de la rupture dans les différents types de contacts ont montré l'impact de la fréquence des oscillations sur l'étendue et la durée de la rupture de film. L'étude expérimentale est conduite via un banc d'essai conçu puis réalisé. Deux modes de rupture de film sont identifiés : la rupture par séparation des gaz saturés et la rupture par séparation due à l'introduction de l'air ambiant. La visualisation de chaque mode est conditionnée par la fréquence des oscillations. La forme de la zone de rupture due à l'introduction de l'air ambiant dépend de la fréquence, de la hauteur du bain d'huile et de la géométrie du contact. Pour les surfaces non conformes, les résultats des modèles numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Les différences constatées dans le cas des surfaces conformes sont dues aux imperfections géométriques et à la souplesse des structures qui composent le dispositif expérimental.