un constat,
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 des 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.
Ils ont des vrais atouts :
- ils utilisent des ressources naturelles renouvelables (la biomasse) comme l’amidon ou la cellulose, ou des ressources issus de la fermentation de végétaux ou encore 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 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. Le CEMEF dispose d’une longue expérience de recherche dans le domaine des polymères biosourcés. Ces premiers travaux de recherche sur les polymères issus de la biomasse remontent à 1978. Ils portaient sur la dissolution de la cellulose et l’extrusion de l’amidon.
un projet, une réalisation
C’est dans ce contexte que la Chaire Industrielle Bioplastiques débute fin 2008, 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.
Inauguration par tous les partenaires de la Chaire Bioplastiques à MINES ParisTech
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, un post-doc et plusieurs stages sont lancés dans le cadre de cette Chaire. Les sujets varient entre le développement et le contrôle de propriétés des bioplastiques à base de mélanges de polymères thermoplastiques biosourcés et composites avec fibres végétales jusqu’à matériaux lignocellulosiques.
1. 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 effet de synergie des propriétés qui sont absentes dans les polymères pris individuellement.
- Un sujet porte sur l’amélioration de propriétés mécaniques d’un des « anciens » polymères de la famille des esters de cellulose, l’acétatobutyrate de cellulose. 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 composition du mélange, du contrôle des paramètres de mise en forme et, du coup, de la morphologie finale du mélange, nous sommes passés de matériaux initialement fragiles à un matériau ductile résistant au choc.
- Le deuxième sujet traite de l’élaboration et la caractérisation de matériaux multiphasiques à base de Polyhydroxyalkanoates (PHA) et de Polylactide (PLA). Ces nouveaux polyesters issus de la biomasse tiennent une place importante, notamment dans le cadre de la recherche de nouvelles applications ou du remplacement de polymères issus de la pétrochimie. Nous avons mis en évidence le vieillissement des propriétés mécaniques des PLA et le ralentissement de ce vieillissement grâce à la présence d’un deuxième composant dans le mélange.
- La troisième thèse est sur des mélanges ternaires de polymères biosourcés. Différentes morphologies complexes peuvent ouvrir la voie à de nouveaux matériaux biosourcés soit pour substituer des polymères d’origine fossile soit pour avoir de nouvelles propriétés et permettre de nouvelles applications. Le but est de comprendre et contrôler leur structuration morphologique et donc leurs propriétés finales.
2. Composites.
La majorité des matériaux plastiques composites sont fabriqués avec des fibres de verre pour les renforcer. 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 : bonnes propriétés mécaniques, thermiques, électriques, acoustiques et d’isolation et une faible densité. Elles sont également facilement accessibles d’où leur prix attractif. Les fibres naturelles présentent également 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 maîtrisé ni contrôlé, contrairement aux fibres de verre.
- Une thèse concerne la compréhension des mécanismes de la casse de fibres naturelles lors de la mise en forme. En utilisant l’outil unique développé au CEMEF, la rhéo-optique contra-rotative, 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.
- La deuxième thèse porte sur l’analyse de distribution et l’orientation des fibres dans une pièce injectée. Cette étude a permis de corréler la rhéologie des composites, l’orientation des fibres et les propriétés mécaniques.
- Le troisième sujet est sur l’utilisation des algues et leurs déchets (après l’extraction des polysaccharides) dans les composites. Jusqu’à 40% de matière plastique peut être remplacé par les déchets d’algues.
3. Matériaux lignocellulosiques.
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. Les applications de la lignine et de ses dérivés sont actuellement en augmentation 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. Cette thèse 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.
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Quelques doctorants de la chaire : Anne, Thibaut, Edwige, François” > Ils parlent de leur projet sur le site du CEMEF
Un laboratoire spécifique comprenant des mini-machines a été installé. Les résultats de recherche ont été présentés à des congrès internationaux de haut niveau et sont publiés dans des revues scientifiques (13 articles). Cette recherche est passionnante et elle permet d’avancer sur la compréhension, le développement et l’application des polymères biosourcés.
Poster présenté lors des journées d’avancement de la chaire Bioplastiques sur le site de Sophia Antipolis le 12 février 2010
> Aller sur le site de la chaire Bioplastiques
Deux autres Chaires industrielles ont vu le jour depuis portées par des enseignants-chercheurs du CEMEF :
- La Chaire ANR SAFRAN OPALE porte sur l’optimisation des propriétés de superalliages à base nickel polycristallins, par le contrôle de la microstructure issue de la mise en forme. Démarrée en 2015, elle est pilotée par Nathalie Bozzolo.
- La Chaire ANR DIGIMU s’intéresse au “Développement d’un cadre Innovant et Global pour la modélIsation des évolutions de MicrostrUctures intervenant lors des procédés de mise en forme des métaux”. Dirigée par Marc Bernacki, elle a commencé en 2016.