Les circuits imprimés sont des composants essentiels pour les équipements électriques et électroniques. Constitués d’un substrat, généralement une résine époxy renforcée par des fibres de verre, et imprimés avec une encre fonctionnelle contenant un métal conducteur, ces dispositifs sont souvent difficilement recyclables.
Le projet européen CircEl-Paper dans lequel s’inscrit la thèse, ambitionne de fabriquer des circuits imprimés multicouches à base de papier, en utilisant les principes de l'économie circulaire, des ressources durables et des matériaux respectueux de l'environnement. Le papier est un substrat de choix pour l’impression fonctionnelle car il est biosourcé, flexible, économique et surtout à fort potentiel de recyclage. Cependant, sa nature rugueuse, poreuse et son instabilité dimensionnelle en présence d'eau obligent à incorporer des additifs lors de la conception du circuit imprimé. L’objectif de la thèse est d’adapter les procédés usuels de recyclage des papiers cartons à ces nouveaux dispositifs électroniques imprimés complexes, de façon à (1) récupérer des fibres cellulosiques aptes à la production de papier recyclé et (2) isoler les métaux précieux présents dans l’encre fonctionnelle pour les valoriser. La séparation de ces deux matières est donc la clé du recyclage.
Pour développer les procédés de recyclage, l’étude préliminaire porte sur des antennes RFID simples imprimées avec une encre argent (Ag) par le procédé flexographique. Des modèles plus complexes de dispositifs électroniques imprimés sont étudiés par la suite. Les opérations unitaires classiques du recyclage des papiers et cartons sont reproduites au laboratoire sur des équipements pilote fonctionnant en discontinu. La ligne de recyclage débute par la remise en suspension dans l’eau des dispositifs imprimés, ce qui conduit à l’obtention d’une « pâte » constituée des fibres cellulosiques en suspension et d’éléments détachés. Des opérations de séparation sont ensuite appliquées (classage, épuration centrifuge, flottation).
Le manuscrit est divisé en quatre sections.
La première vise à mettre en place les conditions d'échantillonnage et d’analyse afin de suivre tout le long de la chaine de recyclage les différents flux de matière séparés, notamment l’Ag. L’Ag est quantifié par spectrométrie d’absorption atomique, après calcination d'échantillons de pâte et digestion des cendres résultantes à l'acide nitrique.
Dans la deuxième partie, la remise en suspension des antennes est étudiée en variant les conditions opératoires dans des gammes usuelles. L’analyse des flocs fibreux et de la taille des fragments d’encre, montre que cette opération est efficace et fragmente fortement l’Ag. Ainsi le classage n’est pas efficace pour séparer l’Ag des fibres, contrairement à l’épuration centrifuge et à la flottation qui concentrent l’argent dans une fraction et les fibres de cellulose dans une autre, par des mécanismes différents. Ainsi, une ligne complète de recyclage comprenant en série la remise en suspension, la flottation et l’épuration centrifuge conduit à récupérer séparément plus de 90% des fibres et 80% de l’Ag, ce qui permet d’envisager la réutilisation de ses matières.
Le chapitre suivant traite du recyclage de prototypes plus complexes, comprenant une résine et un adhésif. Des conditions opératoires plus exigeantes sont nécessaires notamment lors de la remise en suspension. Les fibres cellulosiques sont mal défibrées mais cela n’empêche pas une bonne séparation des fibres de l’Ag avec des taux de récupération respectifs d’en moyenne 70 à 80 % pour la matière organique et 80 % pour l’Ag.
Enfin, le dernier chapitre étudie la synthèse de particules d'Ag à partir de l’argent séparé, l’idée étant de réutiliser l’argent recyclé pour la formulation d’encres conductrices. Il a été montré qu’il est possible de contrôler la taille et la forme des particules en utilisant des polymères stabilisateurs lors de la synthèse.
