Thèse Plasmix - Extrusion Réactive Assistée par Plasma pour la Compatibilisation des Déchets Plastiques Mélangés H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut National Polytechnique de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : LGP - Laboratoire Génie de Production Direction de la thèse : Aynur GULIYEVA ORCID 0000000343358152 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 Les déchets plastiques post-consommation mélangés sont difficiles à recycler en produits à haute valeur ajoutée. Les principaux polymères d'emballage, notamment le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP) et le polystyrène (PS), sont thermodynamiquement non miscibles. Leur mélange à l'état fondu conduit généralement à des morphologies grossières, des interfaces faibles et une rupture mécanique prématurée. Les compatibilisants conventionnels peuvent améliorer les propriétés, mais ils sont souvent spécifiques à une formulation, augmentent la complexité du matériau et peuvent compromettre son recyclage ultérieur.
PLASMIX propose une stratégie différente : traiter les surfaces de paillettes plastiques triées ou partiellement triées par un plasma non thermique avant leur mise en oeuvre à l'état fondu. Pendant l'extrusion, ces surfaces activées deviennent des interfaces internes entre les phases polymères. L'hypothèse centrale est que la composition du gaz et les paramètres du plasma peuvent être ajustés pour générer des groupes fonctionnels oxygénés ou azotés à la surface du PE, du PP ou du PS, sans dégrader leur masse molaire ni leurs propriétés volumiques. Si les paillettes sont extrudées pendant la fenêtre de vieillissement appropriée, ces fonctions pourront renforcer directement les interactions interfaciales ou réagir avec une quantité minimale d'agent de couplage. La tension interfaciale et la coalescence devraient ainsi diminuer, tandis que l'adhésion entre les phases, la stabilité morphologique et la ténacité devraient augmenter.
Le projet étudiera des mélanges modèles et post-consommation PE/PS et PP/PS. Les traitements seront réalisés à pression atmosphérique par décharge à barrière diélectrique ou jet de plasma, avec de l'air ou des mélanges à base d'O, de N ou de HO dans l'argon. Les relations entre paramètres du plasma, chimie, topographie, mouillabilité, énergie de surface et vieillissement seront établies par diagnostic du plasma, XPS, ATR-FTIR, mesures d'angle de contact, SEM, AFM et profilométrie. Des mélanges non traités, traités uniquement par plasma, traités par plasma avec couplage réactif et compatibilisés par une solution commerciale seront comparés lors d'une extrusion réactive bivis.
La morphologie, la rhéologie, les propriétés thermiques et mécaniques ainsi que les mécanismes de rupture seront caractérisés par DSC, TGA, chromatographie d'exclusion stérique, rhéologie, DMA, microscopie, essais de traction, d'impact et de fracture. Le projet distinguera explicitement la compatibilisation pratique d'une véritable miscibilité thermodynamique. La réussite sera évaluée à partir de la chimie interfaciale, de la stabilité de la taille des domaines, du couplage rhéologique et des performances mécaniques.
La tenue des propriétés après plusieurs cycles d'extrusion, la tolérance aux contaminations et aux variations de composition ainsi que les consommations d'énergie et de matière seront évaluées. Une analyse préliminaire du cycle de vie et une analyse technico-économique compareront la stratégie PLASMIX à la compatibilisation conventionnelle. Le projet aboutira à une fenêtre opératoire validée, à des règles reliant plasma, surface, interface, procédé et recyclabilité, ainsi qu'à un démonstrateur non structural destiné à des produits industriels légers. PE, PP and PS are major constituents of plastic waste but are mutually immiscible. Their melt blends generally exhibit coarse morphologies, weak interfaces and poor toughness. Some preliminary studies have been started in LGP to investigate ionic liquids as physical or reactive compatibilizers for polyolefin/PS blends. PLASMIX opens a distinct continuation: polymer flakes are activated by non-thermal plasma before extrusion, so that their initially external surfaces become internal interfaces during melt mixing. The project asks whether plasma-generated functionalities can be tuned to modify interfacial tension, coalescence and adhesion without damaging the polymer bulk. A controlled plasma treatment can generate a useful density of oxygen-, and nitrogen-containing surface functional groups on selected waste-plastic flakes. If extrusion occurs within the relevant ageing window, those sites can promote interactions directly or react with a minimal coupling agent during reactive extrusion, stabilising a finer morphology and improving toughness. The work will distinguish practical compatibilisation from true thermodynamic miscibility. The innovation is to transform temporary surface activation into permanent buried-interface functionality. Rather than treating a finished part, PLASMIX activates waste flakes before melt blending and studies how plasma-generated surface states evolve into polymer-polymer interfaces during extrusion. O1 - Establish plasma chemistry-surface-functionality relationships for virgin and post-consumer PE/PS and PP/PS feedstocks.
O2 - Compare plasma-only compatibilisation with plasma-assisted reactive extrusion using minimal coupling chemistry.
O3 - Relate treatment dose, ageing and reaction conditions to interfacial bonding, phase dispersion, rheology and mechanics.
O4 - Validate reprocessability, contamination tolerance and an energy-efficient operating window. Model and post-consumer PE/PS and PP/PS blends; atmospheric-pressure DBD and/or plasma-jet treatment using air, O-, N- or H2O-based mixtures in Ar process gas; in-situ plasma diagnostics (optical emission spectroscopy, power measurements); XPS, ATR-FTIR, contact angle/surface energy, SEM/AFM/profilometry; plasma-assisted grafting of selected reactive handles such as maleic-anhydride or glycidyl functions; twin-screw reactive extrusion with minimal multifunctional coupling chemistry selected from measured surface groups; DSC/TGA, SEC, rheology and DMA; SEM/AFM and image analysis; tensile, impact and fracture testing; treatment-ageing studies; repeated processing; untreated, plasma-only and commercial-compatibiliser controls; energy and material balances.
WP1 M1-M9 Feedstocks, baseline extrusion, morphology and property map. Primary blend and reference conditions selected.
WP2 M4-M18 Plasma treatment, diagnostics, surface chemistry, ageing and reactive-handle selection. Activation window without unacceptable bulk damage.
WP3 M10-M28 Plasma-only versus plasma-assisted reactive extrusion; interfaces, rheology and mechanics. Mechanism and performance gain validated.
WP4 M24-M36 Reprocessing, variability, energy balance and demonstrator. Transferable operating map and demonstrator.

Les candidats doivent être titulaires d'un Master ou d'un diplôme équivalent en science des polymères, science et génie des matériaux, génie chimique, ingénierie des plasmas ou dans une discipline étroitement apparentée. De solides connaissances en mise en oeuvre des polymères et/ou en science des surfaces sont requises. Une expérience en extrusion, morphologie des mélanges de polymères, rhéologie, essais mécaniques, traitement par plasma, XPS, spectroscopie ou microscopie est souhaitable. Le projet exige de la rigueur expérimentale, un raisonnement quantitatif, de l'autonomie, un esprit d'équipe et un intérêt pour la circularité des plastiques. La mobilité internationale et la communication régulière en anglais font partie intégrante du projet. Un niveau d'anglais B2 ou supérieur est requis ; la maîtrise du français n'est pas exigée lors du recrutement.

Application link: https://edd-projets.utoulouse.fr/

• Anglais
• Autonomie
• SEM
• Spectroscopie
• SSI
• Réactivité
• Chimie