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09/04/2013

Polymères et Biosourcés

La chaire industrielle bioplastiques

Les plastiques, surtout à base de polymères synthétiques, font partie de l’univers quotidien. Légers, résistants, isolants, faciles à mettre en œuvre, ils sont utilisés dans les secteurs aussi divers que le bâtiment, l’emballage, l’industrie électrique et électronique, l’électroménager, le jouet, l’automobile. La raréfaction des ressources pétrolières et les considérations relatives à la qualité de l’environnement (réchauffement climatique, gestion des déchets) offrent une réelle opportunité aux bioplastiques qui comportent deux familles : les polymères issus non plus du pétrole, mais de la biomasse, et les polymères biodégradables.

Polymères et Biosourcés Chaire bioplastiques MINES parisTech

Les bioplastiques issus de la biomasse présentent des atouts indéniables :

  •  ils utilisent des ressources naturelles renouvelables (la biomasse) comme l’amidon ou la cellulose, de la fermentation de végétaux ou par synthèse bactérienne ;
  •  ils sont souvent biodégradables/compostables
  •  ils minimisent les rejets de gaz carbonique dans l’atmosphère ;
  •  ils offrent un nouveau débouché pour l’agriculture ;
  •  ils bénéficient d’une image très positive dans l’opinion publique.

Très onéreux il y a 15 ans, les bioplastiques sont en passe de devenir très compétitifs par rapport aux polymères conventionnels. S’ils ne représentent, aujourd’hui, que quelques dixièmes de pour-cent de la production actuelle de polymères, ils devraient constituer 20 % de la production à l’horizon 2020-2030, témoignant d’un développement hors norme. Les bioplastiques pourront remplacer les plastiques actuels pour certaines applications et permettre l'émergence de nouvelles applications. Et le Cemef dispose d'une longue expérience de recherche dans le domaine des polymères biosourcés.

C’est dans ce contexte la Chaire Industrielle Bioplastiques a démarré en novembre 2008. La Chaire est financée à parts égales par MINES ParisTech et les entreprises partenaires, Arkema, L'Oréal, Nestlé, PSA, Schneider Electric, pour une durée de 7 ans. La Chaire s’intéresse aux bioplastiques durables. Elle étudie leurs propriétés d'emploi et leur mise en forme. La chaire a pour objectif d'améliorer les connaissances sur les bioplastiques : propriétés physico-chimiques, rhéologiques, thermiques, mécaniques. Elle vise à faire émerger de nouveaux matériaux, procédés, applications.

Six projets de thèse et plusieurs stages sont prévus dans le cadre de la Chaire. Les sujets varies entre le développement et contrôle de propriétés de bioplastiques à base de mélanges de polymères thermoplastiques biosourcés et composites avec des fibres végétales jusqu’à matériaux lignocellulosiques.

Mélanges bioplastiques

Trois thèses concernent les mélanges de polymères « tous biosourcés » ou avec des polymères pétrochimiques. Mélanger des polymères incompatibles est un moyen d’obtenir par un effet de synergie des propriétés qui ne sont pas présentes dans chaque polymère pris individuellement. Un sujet porte sur l’amélioration de propriétés mécanique d’un des « anciens » polymères de la famille des esters de cellulose, cellulose acétate butyrate. Le but est de trouver de nouveaux débouchés pour ce type de plastiques cellulosiques, longtemps délaissés au profit des plastiques pétrochimiques. Avec un ajustement fin de la proportion entre les composants de mélange et leur composition chimique, de contrôle de paramètres de la mise en forme et donc de la morphologie finale de mélange, nous avons passé de matériaux initialement fragile au matériau ductile résistant au choc.

L’autre sujet sur les mélanges de bioplastiques traite de l’élaboration et de la caractérisation de matériaux multiphasiques à base de Polyhydroxyalkanoates (PHA) et de Polylactide (PLA). Ces nouveaux polyesters issus de biomasse tiennent une place importante, notamment dans le cadre de la recherche de nouvelles applications ou du remplacement de polymères issus de la pétrochimie. Les objectifs principaux de ce travail sont la formulation et la mise en forme de mélanges à base de PHA et de PLA, la compréhension fondamentale des mécanismes d’interactions entre les composants, la prédiction de la morphologie des matériaux finaux, ainsi que l’évaluation des propriétés mécaniques des composites. Nous avons mise en évidence le vieillissement des propriétés mécaniques de PLA et le ralentissement de ce vieillissement à case de présence de deuxième composant dans le mélange.

La troisième thèse sur les mélanges de bioplastiques est sur des mélanges ternaires de polymères biosourcés. Différents morphologies complexes peuvent ouvrir la voie à de nouveaux matériaux biosourcés soit de substituer des polymères d’origine fossile soit d’avoir de nouvelles propriétés et donc de permettre de nouvelles applications. Le but est de comprendre et contrôler leur structuration morphologique et donc leurs propriétés finales.

 Composites

La majorité de matériaux plastique composite est fait en utilisant les fibres de verre pour renforcer les matières plastiques. Pourtant l’intérêt pour les fibres naturelles a grandi de manière considérable depuis quelques années. Ces fibres issues de matières renouvelables sont plus respectueuses de l’environnement et elles sont moins abrasives que les fibres de verre. Elles possèdent de nombreuses qualités comme de bonnes propriétés mécaniques, thermiques, électriques, acoustiques et d’isolation et une faible densité. Et elles sont également facilement accessibles d’où leur prix attractif.

Cependant, les fibres naturelles présentent certains inconvénients qui réduisent leur potentiel: une grande variabilité et une tendance à former des agrégats. Le comportement des fibres pendant le compoundage et la mise en forme n’est pas bien maitrisé et contrôlé, contrairement aux fibres de verre. Une thèse concerne la compréhension des causes et des mécanismes de la casse des fibres naturelles lors de la mise en forme : leur mélangeage avec la matrice, polymère thermoplastique. En utilisant l’outil unique développé au CEMEF, la rheo-optique contra-rotatif, nous avons montré que les fibres naturelles cassent par fatigue après une accumulation de contraintes, contrairement à ce qui est connu pour les fibres de verre. Les fibres de lin se cassent au niveau de défauts alors que les fibres de cellulose filées se rompent à force de se plier. La distribution et l’orientation des fibres dans une pièce injectée est en cours d’investigation.

Matériaux lignocellulosique

La lignine, avec plus de 50 millions de tonnes extraites par an, est le second polymère biosourcé sur Terre après la cellulose. La lignine est le « ciment » des fibres végétales qui sont des composites naturels. La lignine est un polymère amorphe tridimensionnel de nature phénolique. Elle est la source naturelle la plus abondante de composé aromatique et est, à l’heure actuelle, principalement issue des déchets de l’industrie de la pâte de bois. La lignine est antifongique et imperméable à l’eau. C’est la source de produits aromatique la plus abondante sur Terre. Sa disponibilité en fait un bon candidat pour une exploitation en tant que matériau durable.

Les applications de la lignine et de ses dérivés sont actuellement en augmentation (50% des lignosulfonates sont actuellement utilisés dans l’industrie du bâtiment) principalement dans le domaine des additifs dans les panneaux de bois ou de liège. L’utilisation de la lignine dans les composites de fibres végétales est quant à elle au stade de la recherche. Ce travail s’inscrit dans la dynamique de valorisation de la lignine dans l'élaboration de nouveaux matériaux durables, comportant une forte teneur en carbone bio-ressourcé.

Les résultats de recherche sont présentés aux congres internationaux de haut niveau et sont publiés dans des revues scientifiques. Plusieurs thèses sont toujours en cours. Cette recherche est passionnante et va avancer la compréhension, le développement et l’application de polymères biosourcés.

  • Anne le Duc : « Ce qui me plaît dans ce sujet novateur, c’est le lien avec l’environnement et de pouvoir participer à rendre des matériaux plus propres. Le fait de travailler avec des matières naturelles et de voir comment la nature les structure me motive également. Cette recherche sur les matériaux verts est prometteuse et peut également ouvrir des voies pour de nouvelles idées et développer des techniques pour d’autres domaines de recherche. Et puis les biopolymères ne sont-ils pas les plastiques de demain ? »
  • Edwige Privas : " Les matériaux issus de ressource renouvelables sont actuellement en plein essor et demandent de répondre à de nombreuses questions pour pouvoir se développer. Le challenge d’élaborer des matériaux plus propres allié à mon intérêt pour la recherche m’ont décidée à poursuivre mes études par un doctorat au sein de la Chaire Industrielles Bioplastiques."
  • Thibaut Gerard « Les nombreux défis à relever pour élaborer de nouveaux matériaux produits à partir de ressources renouvelables m’ont décidé à effectuer ma thèse au CEMEF au sein de la Chaire Industrielle Bioplastiques. »
  •  François Besson : " La nature est capable de fournir les matériaux de demain. C’est à nous, désormais, d’apprendre à utiliser ces ressources et de mettre au point les innovations techniques qui permettront l’utilisation de matériaux plus respectueux de l’environnement à grande échelle.

Tatiana Budotva - Cemef MINES ParisTech

Extrait des Carnets de Correspondances - dossier le Développement Durable

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