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Intégrer la coquille d’œuf dans l’économie circulaire - Par : Jean-Philippe Leclair, Lucas Hof, Duncan Cree,

Intégrer la coquille d’œuf dans l’économie circulaire


Ce travail a été réalisé en collaboration avec l’Université de la Saskatchewan (Prof. Duncan Cree) et présenté dans le cadre du Congrès international CSME 2021.

Jean-Philippe Leclair
Jean-Philippe Leclair Profil de l'auteur(e)
Jean-Philippe Leclair est étudiant au baccalauréat au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Son intérêt principal résidant dans le développement durable, il vise à se positionner en tant qu’acteur du changement qu’il souhaite voir.
Programme : Génie mécanique 

Lucas Hof
Lucas Hof est professeur au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur la fabrication intelligente et circulaire dans le contexte de développement durable.
Programme : Génie mécanique 

Duncan Cree
Duncan Cree est professeur agrégé au Département de génie mécanique de l’Université de la Saskatchewan. Son expertise porte sur la fabrication, les essais et la caractérisation des matériaux d’ingénierie

Coquilles d’œuf

Achetée sur Istockphoto.com. Droits d’auteur.

Réduire la production de plastique grâce à la coquille d’œuf

La production de plastique augmente sans cesse depuis les années 1950.

Quantification de la production plastique

Conscients de ce fait, nous devons définir le concept d’économie circulaire.

L’économie circulaire, telle que définie par la fondation Ellen MacArthur :

« Repose sur les principes d’élimination des déchets et de la pollution dès la conception, de maintien en service des produits et des matériaux et de régénération des systèmes naturels. »

Ce diagramme de Québec circulaire permet d’illustrer le concept.

Économie circulaire

Notre travail s’inscrit bien dans cette approche puisque nous cherchons à réduire la consommation de ressources, ici le plastique vierge, en le remplaçant en partie par de la poudre de coquille d’œuf, soit du carbonate de calcium. En même temps, un tel projet contribue à détourner les déchets des sites d’enfouissement en les réutilisant ou en leur donnant une nouvelle vie, car les coquilles d’œuf proviennent d’usines de cassage. Ces usines sont des installations industrielles où les œufs sont transformés en produits liquides ou en produits plus élaborés. Elles éliminent généralement leurs coquilles d’œuf dans des sites d’enfouissement, ce qui représente un coût pour l’industrie.

En quoi les coquilles d’œuf posent-elles problème ?

Tout d’abord, plusieurs milliards d’œufs sont produits chaque année par pays.

Production d’œufs à l’échelle mondiale

Dans la plupart des pays industrialisés, 30 % des œufs produits sont destinés aux usines de cassage d’œufs.

  • La plupart des coquilles d’œuf dans le monde finissent dans des sites d’enfouissement.
  • Par exemple, aux États-Unis et en Europe, les usines de cassage d’œufs paient environ 100 000 USD par an pour l’envoi des coquilles dans les sites d’enfouissement.
  • Cette action pose un problème environnemental, car leur décomposition produit des composés comme l’ammoniac, le sulfure d’hydrogène et l’amine, libérant des niveaux élevés de contaminants et d’odeurs.
  • Les coquilles d’œuf peuvent également être porteuses d’agents pathogènes comme l’E. coli ou la salmonelle.

Une étude [1] sur la production et la disponibilité des coquilles d’œuf et leur potentiel d’agir comme agent de remplissage dans d’autres procédés de fabrication (moulage par injection, pressage à chaud, moulage par compression, coulage de films) a été réalisée par le professeur Cree et l’un de ses étudiants. Toutes les informations précédentes sont également confirmées par cette étude.

Objectifs de cette recherche

Notre principal objectif est de concevoir un nouveau matériau durable et performant pour l’impression 3D qui s’inscrit dans le cadre d’une économie circulaire. En effet, la fabrication additive pourrait jouer un rôle important dans le passage à une économie plus circulaire puisque ce procédé est agile et produit moins de déchets.

Plus précisément, nous avons évalué ici la performance en flexion et la ductilité d’échantillons de composite PLA-coquille d’œuf. En d’autres termes, nous tentons d’utiliser les déchets non seulement pour réduire les flux de déchets, mais aussi pour améliorer la ductilité du PLA.

Préparation et test des échantillons composites

Nous verrons d’abord le procédé de préparation du matériau, en commençant par le matériau de remplissage.

Voici une représentation graphique de la préparation du matériau de remplissage.

Préparation de l’agent de remplissage à coquilles d’œuf

  • Les coquilles d’œuf sont rincées à l’eau chaude pour éliminer tout reste de blanc d’œuf et de membrane organique.
  • Elles sont ensuite broyées en particules grossières de quelques millimètres.
  • On ajoute ensuite de l’eau pour former une bouillie et les grosses particules sont broyées en particules plus petites.
  • Enfin, les particules en poudre sont séchées à environ 105 °C pendant 24 h avant d’être passées dans un tamis de 32 microns.

Le produit final est une fine poudre blanche comme le montre l’image C.

Voici un autre diagramme expliquant le procédé de production du matériau composite et de l’échantillon.

Production de matériel composite

  • Le déchet est la coquille d’œuf en poudre.
  • Elle est mélangée à des granulés de PLA et traitée par mélange à l’état fondu afin d’obtenir des granulés composites.
  • Des granulés composites contenant différents pourcentages de matériau de remplissage sont produits.
  • Ces granulés sont ensuite utilisés pour extruder des filaments pour l’impression 3D.

Voici une image de l’équipement utilisé pour extruder le filament composite pour l’impression 3D.

Montage pour impression 3D

Il s’agit d’une installation Filabot avec :

  • extrudeuse, à droite
  • station de refroidissement, au centre
  • station de bobinage, à gauche

Un dispositif de mesure numérique assure un diamètre de filament constant et conforme aux spécifications.

Ce filament nous permet d’imprimer des échantillons composites pour les essais de flexion.

Voici le résumé des paramètres d’impression choisis pour produire les échantillons composites et effectuer les essais de flexion à 3 points.

  • Les échantillons ont été imprimés à l’aide d’une imprimante 3D Ultimaker 3.
  • La température de l’extrudeuse a été réglée à 200 °C et la vitesse d’impression, fixée à 60 mm/s.
  • La géométrie des échantillons est conforme à la norme ASTM D 790-17.
  • Les essais de flexion ont été effectués à l’aide d’une machine Instron 1137 avec cellule de charge de 10 kN.
  • La distance entre les supports était de 57 mm et la vitesse de déplacement de la poignée, de 1,5 mm/min.

Test de flexion

Comparaison entre les propriétés du matériau composite et celles du PLA pur

Voici les résultats de la résistance à la flexion et du module de flexion ou rigidité en flexion.

Propriétés des matériaux

Propriétés des matériaux

Dans les deux graphiques, les colonnes gris foncé représentent les échantillons renforcés de coquille d’œuf et les colonnes gris clair, les échantillons renforcés de calcaire.

La ligne horizontale rouge représente la performance du PLA pur.

Pourquoi comparer la coquille d’œuf au calcaire ?

La coquille d’œuf est composée à ~95 % de carbonate de calcium; le calcaire est également du carbonate de calcium et c’est l’un des matériaux de remplissage les plus populaires dans l’industrie du plastique [1]. Il est donc logique de l’utiliser à titre de comparaison.

  • Dans le premier graphique, où nous comparons la résistance à la flexion, les échantillons composites PLA-coquille d’œuf les plus performants sont ceux qui contiennent 5 % de remplissage, surpassant les échantillons de PLA pur d’environ 12 %.
  • Dans le second graphique, où nous comparons le module de flexion, les échantillons composites PLA-coquille d’œuf les plus performants sont ceux qui contiennent 20 % de remplissage, surpassant les échantillons de PLA pur d’environ 38 %.

Plus on ajoute de remplissage, plus le module de flexion augmente, mais plus la résistance à la flexion diminue, et ce, de manière importante.

Voici des images MEB (microscope électronique à balayage) d’échantillons contenant différents pourcentages de coquille d’œuf et de calcaire, et du PLA pur.

D’abord, le PLA pur montre très peu de texture et de ramification directionnelle de fissures.

Image MEB du PLA pur

Avec 5 % de coquille d’œuf, il y a une très légère différence de texture, mais rien d’important. On constate en fait une bonne adhérence des particules de remplissage avec la matrice.

Image MEB du mélange 5 % coquilles d’oeuf

Avec 5 % de calcaire, on constate déjà une légère augmentation de texture, et ce qui ressemble à des petits creux contenant une particule de remplissage.

Image MEB du mélange 5 % calcaire

Enfin, dans les deux images à 20 % de remplissage, on observe un changement important de la texture et de nombreux creux.

Image MEB de mélange à 20 % coquilles d’œuf et calcaire

Les creux suggèrent un mode de rupture plus ductile que celui des échantillons de PLA pur, présentant des caractéristiques de rupture fragiles typiques dues à leur aspect plat et lisse.

Conclusion

  • La poudre de coquille d’œuf incorporée au PLA en impression 3D peut améliorer les propriétés comme la résistance à la flexion et le module de flexion.
  • Par rapport au PLA pur, on a constaté une augmentation de ~12 % de la résistance à la flexion et de ~19 % du module de flexion lors de l’essai d’échantillons contenant 5 % de coquille d’œuf.
  • D’après les résultats expérimentaux, une teneur de 5 % de remplissage en coquille d’œuf s’est avérée être le pourcentage massique optimal de poudre de coquille d’œuf.
  • Comme nous l’avons vu précédemment, lorsque l’on ajoute plus de remplissage, le module de flexion augmente, mais la résistance à la flexion diminue de manière importante.
  • Enfin, les images MEB montrent que la poudre de coquille d’œuf dans le PLA en impression 3D influe directement sur la texture fracturée, suggérant un mode de rupture plus ductile que dans les échantillons de PLA pur.

Complément d’information

Pour plus de détails sur les résultats présentés dans cette version abrégée, veuillez lire l’article original :

J.-P. Leclair, N. Borges, D. Cree, L. A. Hof, “Towards Circular Manufacturing: Repurposing Eggshell Waste As Filler For Poly Lactic Acid Feedstock For 3D Printing,” Progress in Canadian Mechanical Engineering. Volume 4, Jun. 2021, https://doi.org/10.32393/csme.2021.120

Des recherches plus poussées sur les propriétés mécaniques de ce nouveau matériau composite sont en cours et les résultats seront publiés prochainement.

Jean-Philippe Leclair

Profil de l'auteur(e)

Jean-Philippe Leclair est étudiant au baccalauréat au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Son intérêt principal résidant dans le développement durable, il vise à se positionner en tant qu’acteur du changement qu’il souhaite voir.

Programme : Génie mécanique 

Laboratoires de recherche : CÉRIÉC-Centre d’études et de recherche intersectorielles en économie circulaire  CIRODD- Centre interdisciplinaire de recherche en opérationnalisation du développement durable  NUMÉRIX – Laboratoire de recherche sur l’ingénierie des organisations dans un contexte d’entreprise numérique  DYNAMO – Équipe de recherche en dynamique des machines, des structures et des procédés 

Profil de l'auteur(e)

Lucas Hof

Profil de l'auteur(e)

Lucas Hof est professeur au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur la fabrication intelligente et circulaire dans le contexte de développement durable.

Programme : Génie mécanique 

Laboratoires de recherche : DYNAMO – Équipe de recherche en dynamique des machines, des structures et des procédés  CIRODD- Centre interdisciplinaire de recherche en opérationnalisation du développement durable  CÉRIÉC-Centre d’études et de recherche intersectorielles en économie circulaire  PolymerÉTS 

Profil de l'auteur(e)

Duncan Cree

Profil de l'auteur(e)

Duncan Cree est professeur agrégé au Département de génie mécanique de l’Université de la Saskatchewan. Son expertise porte sur la fabrication, les essais et la caractérisation des matériaux d’ingénierie

Profil de l'auteur(e)


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