Polymer blends based on postconsumer waste of opaque poly(ethylene terephthalate) and polypropylene
Authors:   , Loaeza Becerril Alfonso David 
Published: November 2024

(English) In recent years, new white and opaque PET bottles (PET-O) have appeared and are used for packaging dairy products. These bottles contain titanium dioxide (TiO2) particles to prevent deterioration of the packaged product caused by UV radiation and to minimise oxygen permeation into the interior. At the end of their useful life, during the selective collection and subsequent treatment in sorting plants before being sent to PET recycling plants, they are randomly mixed with transparent PET packaging waste (PET-T). Taking into account that one of the main applications of recycled PET-T (rPET-T) is the manufacture of synthetic fibres for the textile industry, the presence of recycled PET-O (rPET-O), and therefore TiO2, in rPET-T streams causes processability problems during filament production, impeding the spinning process. As recyclers are not adequately prepared to separate PET-O from PET-T, the mixing of both PETs leads to an increase in the reject rate of the input material at the recycling plants. Taking into account the previous question, this doctoral thesis focuses on finding an outlet for the PET waste mixture, referred to as rPET-O in this thesis, in applications that are not limited to the manufacture of textile fibres. In order to provide a balanced output and enhance the rPET-O value, has been proposed to be used as a minority phase in a polyolefin matrix to act as a reinforcing element. To this end, the microfibrillation capability of rPET-O has been explored to generate in-situ microfibrillated composites using two different manufacturing processes: sheet extrusion and fused deposition modelling (3D printing). Thus, in this thesis, recycled polypropylene (rPP) has been selected as a matrix, since it is an easily accessible raw material due to its high recycling rate. Both materials (rPP and rPET-O) were supplied by a recycling company and come from post-consumer waste, which is an added challenge to the study of this thesis. The rPP, sourced from the automotive industry, was supplied in pellet form. Differential scanning calorimetry tests showed that this material contained polyethylene (PE) in low proportions, a characteristic of the PP type used in this sector. The rPET-O, on the other hand, was supplied in flake form, and for its subsequent manipulation, these flakes were transformed into pellets by means of an extrusion process that in this thesis will be called homogenisation. From these materials, rPP/rPET-O blends were prepared with rPET-O amounts of 10, 20 and 30% by weight. An additional amount of TiO2 was added to the 80/20 blend to simulate a higher PET-O waste stream than the previous blends, the resulting blend will be referred to in this thesis as 80/20/5.
After morphological analysis by scanning electron microscopy, it was observed that the 70/30 and 80/20/5 blends showed the ability to form microfibrillar structures of the second phase after processing by both sheet extrusion (0.6 mm nominal thickness) and 3D printing. Tensile tests determined that the Young's modulus of the blends containing microfibrillated rPET-O is higher, not only than that of rPP, but also than that of the other blends by up to 30%. In addition, fracture mechanics tests showed that the resistance to the initiation of slow crack propagation is more than twice as high in mixtures with microfibrillated structures compared to the rest of the blends. These findings confirmed the possibility of producing in-situ microfibrillar composites using post-consumer recycled materials from a real recycling process, obtaining 100% recycled composites with improved properties compared to the starting components.
(Español) En los últimos años han aparecido nuevas botellas de PET blancas y opacas (PET-O) que se utilizan para el envasado de productos lácteos. Estas botellas contienen partículas de dióxido de titanio (TiO2) con el objetivo de evitar el deterioro del producto envasado causado por la radiación UV y minimizar la permeación de oxígeno hacia el interior. Al final de su vida útil, durante la recogida selectiva y posterior tratamiento en las plantas de separación antes de ser enviadas a las plantas de reciclaje de PET, éstas se mezclan aleatoriamente con residuos de envases de PET transparente (PET-T). Teniendo en cuenta que una de las principales aplicaciones del PET-T reciclado (rPET-T) es la fabricación de fibras sintéticas para la industria textil, la presencia de PET-O reciclado (rPET-O), y por lo tanto de TiO2, en los flujos de rPET-T ocasiona problemas de procesabilidad durante la producción de filamentos, impidiendo el proceso de hilado. Puesto que las empresas de reciclaje no están debidamente preparadas para separar el PET-O del PET-T, la mezcla de ambos PETs ocasiona un incremento en la tasa de rechazo del material de entrada en las plantas de reciclaje. Considerando dicha problemática, la presente tesis doctoral se enfoca en encontrar una salida a la mezcla de residuos de PET, denominada en esta tesis como rPET-O, en aplicaciones que no se limiten a la fabricación de fibras textiles. Con el fin de otorgar una salida balanceada y valorizar al rPET-O, se ha propuesto emplearlo como fase minoritaria de una matriz de poliolefina para que actúe como elemento reforzante. Con este fin, se ha explorado la habilidad de microfibrilar del rPET-O para generar compuestos microfibrilados in-situ mediante dos procesos de manufactura distintos: extrusión de lámina y modelado por deposición en fundido (impresión 3D). En esta tesis se ha seleccionado un polipropileno reciclado (rPP) como matriz por ser una materia prima de fácil acceso con alta tasa de reciclaje.
Ambos materiales (rPP y rPET-O) fueron suministrados por una empresa recicladora y provienen de residuos post-consumo, lo que supone un reto añadido al estudio planteado. El rPP, procedente del sector de la automoción, se suministró en forma de granza. Ensayos de calorimetría diferencial de barrido mostraron que este material contenía polietileno (PE) en bajas proporciones, característica del tipo de PP empleado en este sector. El rPET-O, por otro lado, se suministró en forma de escamas, y para una adecuada manipulación posterior, dichas escamas se transformaron en granza mediante un proceso de extrusión denominado como homogeneización. A partir de estos materiales, se prepararon mezclas de rPP/rPET-O con cantidades de rPET-O del 10, 20 y 30 % en peso. A la mezcla 80/20 se le incorporó una cantidad adicional de TiO2 para simular un flujo de residuos de PET-O mayor que el de las mezclas anteriores, la mezcla resultante se denominará en esta tesis como 80/20/5. Tras un análisis morfológico por microscopía electrónica de barrido, se observó que las mezclas 70/30 y 80/20/5 presentaron la habilidad de formar estructuras microfibrilares de la segunda fase después de ser procesadas, tanto por extrusión de lámina (0.6 mm de espesor nominal) como por impresión 3D. Mediante ensayos de tracción, se determinó que el módulo de Young de las mezclas que contienen rPET-O microfibrilado es superior, no solo al del rPP, sino también al resto de las mezclas hasta en un 30%. Asimismo, ensayos de mecánica de la fractura demostraron que la resistencia al inicio de la propagación lenta de la grieta se incrementa en más del doble en las mezclas que presentan estructuras microfibriladas en comparación con el resto de las mezclas. Estos hallazgos confirmaron la posibilidad de producir compuestos microfibrilares in-situ empleando materiales reciclados post-consumo provenientes de un proceso de reciclaje real, obteniendo compuestos 100% reciclados con propiedades mejoradas respecto a los componentes de partida.