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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Barquettes alimentaires : quel avenir pour les biocomposites à base de fibres naturelles ? Révision : 19 janvier 2012  
Barquettes alimentaires : quel avenir pour les biocomposites
à base de fibres naturelles ?
 
             Emmanuelle COR et Sophie SAUVA

Élèves ingénieurs 2e Année
 Juin 2011
Mise en ligne - Novembre 2011

Avertissement
Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité.
À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations
et tous les acteurs concernés.

 

       
     
  Plan  
I - Introduction
II - Barquettes alimentaires en biocomposites
à renfort végétal
III - Barquettes alimentaires : des enjeux
économiques intéressants
IV - Analyse économique et prospective
V - Conclusion
VI - Bibliographie - Webographie  
     
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I - Introduction

Plan

   
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            Barquettes alimentaires en biocomposites      
  Figure 1 - Barquettes
alimentaires
en biocomposites
[Novamont]
 

L'industrie de l’emballage utilise traditionnellement le plastique pour fabriquer certains produits : barquettes alimentaires, films, bouteilles,... Toutefois, depuis quelques années, elle est confrontée au problème suivant : concilier une consommation de produits, par conséquent d'emballages, toujours plus importante tout en préservant l’environnement.

C'est pourquoi des chercheurs travaillent à la mise au point de biocomposites qui pourraient se substituer aux matériaux issus de la pétrochimie, tout en ayant des propriétés comparables. Leurs objectifs : améliorer l'utilisation des ressources fournies par la nature et réduire l'impact des déchets d'emballages sur l'environnement grâce à la recyclabilité voire la biodégradabilité de ces matériaux alternatifs. Outre le coût pouvant être intéressant, l'usage de ces nouveaux matériaux présente plusieurs avantages : un faible poids, des propriétés utiles pour les emballages ainsi que la valorisation d'une importante variété de végétaux disponible dans le monde.

Le secteur des barquettes alimentaires s'intéresse tout particulièrement à ces biocomposites, motivé par de nombreux enjeux [Figure 1]. Actuellement, la plupart des barquettes alimentaires sont produites avec des matériaux dérivés du pétrole. Elles ne sont pas recyclées car elles sont trop légères et ne contiennent pas suffisamment de matière. Les fabriquer avec des matières premières végétales permettrait à la fois de remplacer le pétrole par des ressources renouvelables et de limiter les déchets liés à cette industrie. Des barquettes composites à base de fibres naturelles sont d'ores et déjà fabriquées par des industriels de l’emballage.

Quel avenir peut-on envisager pour ce marché des barquettes alimentaires en biocomposites à base de fibres naturelles ?

II - Barquettes alimentaires en biocomposites à renfort végétal

Plan

II-1 - Biocomposite : matrice et/ou renfort issus de la biomasse

Un matériau composite comprend une matrice et un renfort. La matrice constitue le liant du composite. Le renfort donne une structure à l’ensemble et reçoit les sollicitations extérieures par le biais de la matrice dont la résistance mécanique est beaucoup plus faible. Le composite possède des propriétés particulières. Un matériau est dit "biocomposite" quand sa matrice ou son renfort, ou bien les deux, sont issus de la biomasse.

Dans notre étude, nous traitons des biocomposites à renfort végétal, plus précisément de deux types de biocomposites :

Le renfort considéré est issu de fibres naturelles, ce qui comprend aussi bien des fibres à l’échelle macroscopique que des fibrilles issues de végétaux, ou encore des particules de fibres à l’échelle nanométrique.

II-1-1 - Les fibres naturelles comme renfort

Les fibres naturelles sont aussi bien des fibres organiques, d’origine végétale ou animale, que des fibres minérales telles que l’amiante ou le verre. Ces fibres naturelles peuvent être classées par origine [Figure 2]. Le chanvre et la jute peuvent être ajoutés dans les fibres végétales issues de tiges. Le cachemire et le mohair peuvent également entrer dans la classification car ce sont des fibres d’origine animale, issues de poils.

                Les différents types de fibres naturelles      
  Figure 2 - Les différents types de fibres naturelles
[Réseau Plasturgie]
 
     

Les fibres naturelles d’origine végétale, axe de notre étude, sont les plus utilisées pour le renforcement des matériaux biocomposites car ce sont des ressources disponibles, renouvelables et compétitives en termes de coûts. Ces fibres végétales, bien qu'aujourd'hui considérées comme nouveau renfort, sont en fait déjà utilisées dans les secteurs du bâtiment, de l’automobile et de l’électronique. Désormais, elles font leur apparition sur le marché de l’agroalimentaire et deviennent une opportunité indéniable pour le marché des barquettes. L’un des inconvénients majeurs de ces fibres est leur sensibilité à l’humidité et à la température.

Les fibres naturelles couramment utilisées dans les biocomposites sont issues du chanvre [Figure 3], du lin [Figure 4], de la jute, de la ramie, du coton, de la paille de blé, du bois, de la noix de coco et du sisal. Les plus courantes dans la recherche scientifique et dans la fabrication industrielle de barquettes en biocomposites sont le chanvre, le lin, le sisal, le bois, le coton et la cellulose (fibrilles et whiskers de cellulose).

                       
  Figure 3 - Chanvre
[Futura-Techno]
  Figure 4 - Lin
[Obiwi]
 
         

Le chanvre, le lin, le sisal et le coton sont issus des exploitations agricoles ou de déchets de l’agriculture. La cellulose, quant à elle, vient des sciures de bois et des déchets de l’exploitation forestière. La société québécoise FPInnovations est l’un des leaders en matière de R&D ainsi que de commercialisation de whiskers et de microfibrilles de cellulose. Des nanoparticules peuvent être ajoutées au matériau composite pour lui conférer des propriétés spécifiques et donnent naissance à des nano-biocomposites.

Le choix d’une fibre plutôt qu’une autre et l’affinité renfort/matrice sont déterminants pour les propriétés du biocomposite.

II-1-2 - Une matrice en polymère

La matrice d'un composite peut être de type polymère, métallique ou céramique. Dans les biocomposites pour l’emballage de type barquette, les matrices sont polymères. Il existe des polymères thermodurcissables, infusibles et insolubles, et des polymères thermoplastiques, fusibles et pouvant être remoulés aisément. En termes de recyclabilité, les thermoplastiques présentent un avantage certain sur les thermodurcissables. Ainsi, la plupart des barquettes commercialisées ou au stade de la R&D sont en polymères thermoplastiques. Parmi ces derniers, il faut distinguer les polymères issus du pétrole et les polymères issus de la biomasse, dits "bio-sourcés".

Sur le marché européen des polymères, Cargill (production mondiale de 50 000 à 70 000 tonnes par an) est un fournisseur de polyacide lactique (PLA) pour les emballages en substitution du polystyrène (PS) et du polyéthylène téréphtalate (PET). Novamont (production mondiale de 30 000 à 40 000 tonnes par an) fournit du polyester Mater-Bi®, copolymère d’amylose et de polymères naturels ou synthétiques (ex : amylose+polycaprolactone).

En ce qui concerne les polymères synthétiques issus du pétrole, les plus utilisés dans l’industrie des barquettes alimentaires sont le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), le polystyrène (PS), le polyéthylène térephtalate (PET) et le rPET (PET recyclé).

Comme le récapitule le Tableau 1 ci-dessous, le monde de la recherche et les fabricants de barquettes en biocomposites recourent principalement au polyacide lactique (PLA) et à l’amidon comme matrice polymère végétale, ainsi qu'au polyéthylène (PE) et au polystyrène (PS) comme matrice polymère issue du pétrole. Dans la logique actuelle orientée vers le développement durable, les travaux de recherche portent davantage sur le PLA et l’amidon qui sont bio-sourcés.

Matrice Fibres végétales
issue de ressources fossiles issue de la biomasse
Polyéthylène (PE)
Polystyrène (PS)
Polypropylène (PP)
Polyéthylène térephtalate (PET)
Polyester Mater-Bi®
Polyacide lactique (PLA)
Amidon
Chanvre
Lin
Sisal
Cellulose (fibres, microfibrilles, whiskers)
Bois
Coton

Tableau 1 - Matériaux utilisés dans les biocomposites pour barquettes alimentaires

II-2 - Fabrication des barquettes alimentaires en biocomposites

II-2-1 - Procédés chimiques

Greffage chimique

L'une des principales techniques d’incorporation des fibres dans une matrice plastique est le greffage chimique. Les fibres végétales, composées principalement de cellulose, polymère du glucose, portent des groupements hydrophiles à leur surface. Les matériaux plastiques constituant la matrice pour la fabrication des barquettes sont hydrophobes. Ces deux éléments n’ont naturellement pas tendance à s’associer. Il faut donc traiter la cellulose à sa surface par des agents chimiques (agents de couplage) afin de la rendre elle aussi hydrophobe. Avec le greffage (ou modification) chimique, les fibres de cellulose sont modifiées en surface afin d'être compatibles avec la matrice plastique [Figure 5]. De nombreux travaux de recherche sont en cours, avec des matrices de polypropylène (PP) ou polystyrène (PS) renforcées avec des fibres de plantes annuelles. Les agents de couplage sont, entre autres, l’acide maléique ou le SMA. Ce traitement des fibres lignocellulosiques est généralement fait dans des conditions contraignantes (hautes températures, temps de réaction très long,...).

                Greffage de chaînes grasses en surface de la cellulose      
  Figure 5 - Greffage de chaînes grasses en surface de la cellulose  
     

Autres modifications chimiques

Pour être valorisées, les fibres lignocellulosiques subissent d'autres traitements chimiques afin d’améliorer leur résistance à l’eau, aux UV ou aux moisissures. Pour fabriquer des barquettes alimentaires en biocomposites, l'acétylation de la cellulose permet de diminuer la sorption d’eau par l’emballage et, par conséquent, d’obtenir une meilleure conservation des aliments. L’acétylation permet la transformation de la fonction alcool de la cellulose en fonction ester d’acide acétique et modifie ainsi les propriétés des fibres lignocellulosiques à leur surface.

II-2-2 - Thermoformage

Le thermoformage est la principale technique de fabrication des barquettes plastiques alimentaires. Son principe : utiliser la pression atmosphérique pour déformer un film ou une plaque thermoplastique. La plaque préalablement chauffée est placée au-dessus d’un moule fixé. Puis le vide est réalisé entre la plaque et le moule de façon à ce que la plaque épouse la forme du moule. Une fois la plaque refroidie, elle est démoulée et éventuellement détourée (la bande autour de la pièce qui a servi au maintien de la plaque est enlevée) [Figure 6].

                Les différentes étapes du thermoformage      
  Figure 6 - Les différentes étapes du thermoformage
[Wikipédia]
 
     

Selon le type de polymères utilisés lors du thermoformage, il faut mettre en œuvre des conditions particulières de température durant le procédé. Lors du thermoformage, il y a un retrait de la matière (rétractation de la matière lorsque la barquette est refroidie). Le Tableau 2 ci-dessous indique les différentes conditions à respecter lors du thermoformage de plusieurs polymères utilisés dans l’industrie de l’emballage : températures de fusion et de transition vitreuse de ces polymères, température du moule au moment du thermoformage, taux de retrait linéaire de la matière lorsque le produit est formé et refroidi.

                Paramètres de thermoformage des principaux thermoplastiques      
  Tableau 2 - Paramètres de thermoformage des principaux thermoplastiques
[Atomer]
 
     

Il est important de connaître ces données lors de l'intégration des fibres naturelles dans la matrice plastique afin d'éviter leur dégradation par la température. Le taux de retrait linéaire représente le pourcentage de rétractation du matériau lors du thermoformage par unité de longueur. Il est ainsi possible d'évaluer la déformation du produit une fois refroidi. Pour tous les plastiques utilisés, la température de thermoformage est toujours nettement supérieure à 100 °C et peut monter jusqu’à 200 °C (pour le PC).

II-2-3 - Moulage

Le moulage est une autre technique largement utilisée pour la fabrication des barquettes alimentaires.

Moulage par injection

Le moulage par injection est la technique la plus employée par l’industrie du plastique car elle permet de fabriquer des pièces en grandes séries et peut être appliquée à de nombreux matériaux polymères thermoplastiques, les élastomères et les alliages (aluminium, zinc, laiton,...).

Comme l'illustre la Figure 7 ci-dessous, les moules, installés sur une presse, sont constitués d'une partie fixe et d'une partie mobile. La matière plastique (sous forme de granulés) est chauffée et maintenue à une température optimale à l’intérieur d’un fourreau de plastification (2). L’action de la vis d’injection (1) permet de ramollir les granulés de la matière plastique et de les ramener à un état visqueux jusqu’à la buse d’injection (3). C’est la phase de dosage. Ensuite, vient la phase d’injection dynamique. La matière est injectée à l’intérieur du moule sous une forte pression. La température du moule doit être régulée et inférieure à la température de transformation de la matière pour que celle-ci puisse se mettre en forme correctement. Une pression constante est appliquée ensuite (phase de maintien) pour continuer à alimenter le moule et éviter le phénomène de retrait de la matière durant son refroidissement. Enfin, la pièce est refroidie avant d’être démoulée (5). Un nouveau cycle peut recommencer.

                Moulage par injection      
  Figure 7 - Moulage par injection
[Academic]
 
     

De nombreux paramètres doivent être pris en compte en fonction de la matière utilisée, de la qualité et de la production souhaitées. Parmi eux, citons : la température du moule, celle du fourreau et de la matière, le temps de refroidissement de la pièce, la pression appliquée au moule, la vitesse de rotation de la vis et le dosage de la matière.

Le moulage par injection permet d’obtenir des pièces de très bonne qualité. Leur aspect dépend essentiellement de la qualité du moule. C’est pourquoi il est nécessaire de faire subir au moule de nombreuses opérations de finition ce qui induit un coût élevé toutefois amorti par une production des pièces (barquettes) en grande quantité.

Moulage par compression à chaud

Le moulage par compression à chaud permet de mettre en forme les polymères thermodurcissables. Comme évoqué plus haut, ces derniers sont difficilement recyclables. Par conséquent, il n’est pas judicieux de les utiliser pour fabriquer des barquettes en biocomposites. Cette technique de mise en forme des barquettes n'est donc pas explicitée dans ce mémoire. Néanmoins, signalons que l’objectif de cette technique est d’éviter la prise en masse de la matière lors du moulage. L’atteinte du point de gel des polymères thermodurcissables doit être maîtrisée afin que le moulage se fasse correctement. Le fait de travailler avec des polymères thermodurcissables limite les cadences et donc la production en industrie.

II-3 - Propriétés requises des barquettes alimentaires en biocomposites

Pour être conformes aux normes relatives au contact alimentaire, les barquettes en biocomposites doivent posséder des propriétés particulières notamment au niveau de leur perméabilité et de leurs caractéristiques mécaniques. En effet, en fonction des aliments qui sont emballés, les barquettes doivent être résistantes et imperméables aux graisses, à l’oxygène et/ou à l’eau.

II-3-1 - Des normes spécifiques pour le contact alimentaire

Les emballages en contact direct avec des aliments doivent répondre à des normes spécifiques qui peuvent varier selon :

L'utilisation actuelle des barquettes en biocomposites dans l’industrie agroalimentaire est liée à l’emballage de tous types de produits. Elles peuvent être passées au micro-ondes et réfrigérées. Elles doivent être recyclables et/ou biodégradables. Il leur faut se conformer aux mêmes normes que les barquettes en polystyrène ou polypropylène.

Ces normes détaillent les protocoles d’analyse permettant de démontrer la conformité des matériaux à la réglementation actuelle. Elles sont établies par le Comité Européen de Normalisation (CEN) qui édicte, grâce à des groupes d’experts, les procédures à respecter pour les emballages alimentaires, les ustensiles de cuisine ou encore les matériaux cellulosiques en contact avec des aliments. Il existe notamment des moyens de mesure de migration ou des méthodes de dosage de la quantité résiduelle d’une substance constituant un matériau (Normes : CEN/TC 194, CEN/TC 172, CEN/TC 261).

Un projet de normes concernant l’éventuelle migration dans les aliments de nanoparticules présentes dans un emballage est en cours de réalisation. Cela concerne directement les biocomposites renforcés avec des nanoparticules de cellulose. L’Autorité européenne de sécurité des aliments (EFSA) prépare des règles afin d'évaluer les risques sur la santé du consommateur. En effet, il semble que les nanoparticules migrent plus facilement à l’intérieur des aliments et qu'ils pourraient avoir des effets sur la santé.

L’objectif des industries fabriquant les barquettes en biocomposites est d'emballer n’importe quel type d’aliment dans les mêmes conditions que des barquettes en polypropylène ou polyester. Examinons les propriétés principales que doivent présenter ces barquettes en biocomposites.

II-3-2 - Des propriétés barrière adaptées aux besoins

Les besoins en termes de fonctions barrière des barquettes varient selon les produits à emballer. Pour la viande, il faut un emballage étanche à l’oxygène et à la vapeur d’eau afin d'éviter sa dégradation. Pour les fruits et légumes, le matériau d'emballage doit être plus "respirant" afin qu'ils puissent mûrir correctement. Quant aux produits céréaliers, ils doivent être emballés dans des matériaux imperméables à la vapeur d’eau afin d’éviter leur ramollissement et la dégradation de leur goût.

Ainsi, selon l’application désirée et le type de produit à emballer, il est nécessaire d’étudier les propriétés barrière des matériaux composant les barquettes en biocomposites. En général, la barquette sert uniquement de support pour le transport des aliments. L’imperméabilité de l’emballage est obtenue grâce à un film thermoscellé sur la barquette. Cependant, il est important qu'en plus du film le support possède également des propriétés barrière afin d’assurer une conservation optimale de l’aliment emballé. Nous étudierons l’influence de certaines propriétés des biocomposites sur la perméabilité des barquettes.

Définition de la perméabilité

La perméabilité est la capacité d’un matériau à se laisser traverser par un fluide (gazeux ou liquide). Dans le cas des barquettes alimentaires, les fluides sont principalement la vapeur d’eau, l’oxygène et les graisses. Il est possible de considérer également les flux de micro-organismes (microbes et bactéries). On définit la perméabilité Q comme la quantité de matière d’une substance gazeuse transférée à travers un matériau selon la formule suivante (d’après la loi de Darcy) :

                     
     

Plusieurs facteurs peuvent ainsi jouer sur la perméabilité d’un matériau. La nature des polymères et leur composition ainsi que le fluide traversant sont les principaux paramètres. La composition de la barquette en biocomposite et l’association des éléments entre eux pour composer le matériau a un impact sur la perméabilité finale de l’emballage.

Facteurs influençant la perméabilité du biocomposite

La cristallinité, la réticulation (ou greffage), la nature du diffusant (gaz traversant), la tortuosité ainsi que l’épaisseur de la barquette ont une influence sur la perméabilité du matériau. En règle générale, si la perméabilité diminue pour un type de fluide en faisant varier l'un de ces paramètres, elle diminue pour les autres fluides également.

Le choix des matériaux pour la fabrication des barquettes en biocomposites est fait en partie grâce à cette étude de perméabilité des différents polymères constituant la matrice ainsi que des propriétés barrière obtenus avec un type de renfort spécifique (fibres, microfibrilles ou encore nano-éléments) [Tableau 3].

Matière première Propriétés barrière
Vapeur d'eau Oxygène Graisses
Polyéthylène (PE) +++ ++ +++
Polystyrène (PS) +
Polypropylène (PP) +++ +++ +++
Polyéthylène térephtalate (PET) ++ + ++
Polyester Mater-Bi® ++ +
Polyacide lactique (PLA) ++ ++ ++
Amidon +
Cellulose +

Tableau 3 - Récapitulatif des propriétés barrière des différents polymères utilisés pour fabriquer des barquettes en biocomposites

II-3-3 - La résistance en traction, propriété mécanique fondamentale

Les barquettes en biocomposites ont un avenir sur le marché si elles possèdent au moins les mêmes propriétés mécaniques que les barquettes en matériaux conventionnels. Les constituants (fibres et matrice), leur microstructure et la résistance de l’interface d’adhésion fibre/matrice ont un rôle décisif sur les propriétés mécaniques. De plus, les propriétés de biocompostabilité des matrices de type PLA des biocomposites donnent une valeur ajoutée par rapport aux polymères classiques (PE, PP, PS) utilisés dans les barquettes classiques.

Les caractéristiques de traction des biocomposites sont importantes pour connaître la résistance de la barquette lors du transport et de la mise en rayon ou dans son rôle d’emballage protecteur. Le module de Young permet d’évaluer l’élasticité de la barquette. La contrainte à la rupture représente la contrainte à exercer avant la rupture du matériau. Enfin, la déformation est la grandeur qui caractérise la déformation du matériau qu’elle soit élastique ou plastique.

Dans le Tableau 4 ci-dessous sont présentées les caractéristiques mécaniques des matériaux.

                Caractéristiques mécaniques des matériaux      
  Tableau 4 - Caractéristiques mécaniques des matériaux
(essais de traction, T=20°C, 18% fibres en masse)
[HAL]
 
     

E représente le module de Young, σu la contrainte à la rupture, ε la déformation, ρ la masse volumique.

Cette étude montre que l’ajout de fibres dans une matrice polymère augmente le module de Young. Les fibres végétales donnent des résultats qui se rapproche des fibres minérales notamment pour les fibres de type chanvre (EPLA/Chanvre= 4280 MPa EPLA/verre= 6410 MPa). En revanche, l’ajout de fibres diminue légèrement la contrainte à la rupture et la déformation. Il est important aussi de noter que les résultats ne sont pas aussi spectaculaires pour le PP et le chanvre. En effet, ces derniers n’ont pas une très bonne affinité. Ainsi, même si les propriétés sont meilleures pour le biocomposite que pour le PP seul, ces propriétés pourraient être bien meilleures en augmentant l’affinité PP/chanvre.

Dans une autre étude, un biocomposite PLLA (Poly-L-Acide Lactique)/lin a été élaboré par film stacking, un procédé multicouche qui permet d’assembler les couches matrice/fibre entre elles en utilisant une pression et une température adaptées. Elle a montré que la résistance en traction du biocomposite matrice/fibre est semblable à celle d'un biocomposite verre/polyester. Il est ainsi permis de supposer que les biocomposites PLLA/lin ou PLA/chanvre ont des propriétés mécaniques suffisantes pour les barquettes alimentaires. Cependant, il est important de préciser que le PLA n’a pas une très bonne tenue à la chaleur (au-delà de 55°C, il se détériore) et ne peut donc pas être le constituant de barquettes micro-ondables. De nouveaux PLA ont été mis au point, plus résistants à la chaleur (autour de 95°C). Souvent ce sont des additifs (ex. l'argile) qui confèrent au PLA cette résistance mais ils ne sont pas encore validés aptes au contact alimentaire. Ainsi, la barquette en biocomposite avec matrice PLA n'est pas utilisée pour des applications adaptées au micro-ondes. De telles barquettes sont employées principalement pour emballer des salades et des produits frais ou encore comme éléments de calage industriel.

Une troisième étude, réalisée par le Pôle européen de la plasturgie (PEP), confirme l’amélioration des propriétés mécaniques (surtout du module de Young) sur l’ensemble des polymères renforcés par des fibres naturelles [Figure 8]. Pour les matrices de type Ecoflex®, Mater-Bi® ou Bioplast, le module de Young est multiplié respectivement par 12, 7, et 6. Pour le PLA, le module de Young n’est multiplié que par 2 mais il atteint 8000 MPa. En revanche, si l’on abandonne le domaine élastique pour aller vers le domaine plastique, la contrainte maximale (contrainte à la rupture) varie peu entre le polymère seul et le biocomposite. Concernant les polymères synthétiques issus de ressources pétrolières comme le PE, les fibres naturelles viennent également renforcer la matrice et améliorent les propriétés en matière de traction.

                     
  Figure 8 - Comparaison des propriétés mécaniques de polymères avec et sans renfort
[PEP, Centre technique de la plasturgie]
 
     

L’un des inconvénients majeur des barquettes en biocomposites à base de fibres végétales est la sensibilité de ces fibres à l’eau. En effet, l’eau peut contribuer à la dégradation des propriétés mécaniques des tissus végétaux, ainsi qu’à la dégradation de l’adhésion matrice/fibre. Ainsi, les propriétés mécaniques des biocomposites sont fortement dégradées en présence d’eau. Des traitements pour rendre les fibres hydrophobes peuvent renforcer le lien matrice/fibre et diminuer la sensibilité des fibres à l’eau.

La confrontation de ces trois études permet d'établir que les fibres végétales améliorent toutes les propriétés mécaniques en traction d’un polymère, si la quantité de fibres est de l’ordre de 30% en masse. Les biocomposites constituent donc une ouverture possible du marché des barquettes alimentaires, bien que les propriétés hygroscopiques des fibres et les températures de détérioration des polymères de la matrice doivent être pris en compte.

II-3-4 - Le comportement du biocomposite, influencé par la matrice et par les fibres

Influence du type de matrice, du type de fibre, de l’adéquation matrice/fibre

La matrice influence fortement le comportement du composite, au même titre que le type de fibres. En effet, les propriétés intrinsèques du biocomposite dépendent des propriétés intrinsèques de la matrice et de la fibre.

Néanmoins, il ne faut pas négliger l’influence de l’affinité matrice/fibre. En effet, plus cette dernière est grande, plus les propriétés barrière et mécaniques sont grandes. Si la matrice et la fibre sont légèrement hydrophobes, alors l’ensemble a une meilleure résistance à l’eau. Par ailleurs, la mouillabilité de la fibre par la matrice intervient également pour l’adhésion matrice/fibre. Plus la mouillabilité est grande, meilleure est l’adhésion et plus le biocomposite présente de bonnes propriétés mécaniques et barrière.

Le choix du type de fibre est également important. La fibre de chanvre est celle qui se rapproche le plus de la fibre de verre au niveau des propriétés mécaniques.

Influence du taux de fibres

Le taux de fibres intervient au niveau du procédé, lors du moulage par injection, et au niveau de la résistance mécanique en traction.
Lors du moulage à injection, l’énergie à employer augmente avec le taux de fibres [Figure 9]. De plus, si la part dissipée lors du mélange est de plus en plus importante, en revanche, l’énergie nécessaire à la fusion reste inchangée voire diminue lorsque le taux de fibres augmente. De façon générale, plus le taux de fibres augmente, plus l’énergie nécessaire à la fabrication du biocomposite est importante.

                Influence du taux de fibres sur l’énergie à fournir lors de l’injection du biocomposite      
  Figure 9 - Influence du taux de fibres sur l’énergie à fournir lors du moulage par injection du biocomposite  
     

Le module de Young augmente presque proportionnellement avec le taux de fibres pour toutes les matrices renforcées avec du chanvre. Pour l’allongement à la rupture, c’est l’inverse : plus le taux de fibres est grand, plus l’allongement à la rupture est petit, selon une étude du Pôle européen de la plasturgie. Il est alors important de trouver un compromis pour avoir le plus grand module de Young et le plus grand allongement à la rupture. En effet, pour une barquette, il est préférable qu’elle se déforme plutôt qu'elle ne se brise lors d'un choc (fort module de Young, fort allongement à la rupture).

Influence de la taille des fibres

La longueur des fibres a une influence non négligeable sur les propriétés mécaniques du biocomposite. En effet, les plus grandes fibres donnent un biocomposite pour lequel le module de Young est plus grand [Figure 10].

                Influence de la longueur des fibres sur le module de Young      
  Figure 10 - Influence de la longueur des fibres sur le module de Young
[PEP, Centre technique de la plasturgie]
 
     

Au vu de ces éléments, pour former le biocomposite idéal, la taille des fibres voire l’utilisation de nanoparticules est décidée en fonction des propriétés recherchées. En effet, des nanoparticules ont tendance à augmenter les propriétés barrière du biocomposite alors que les grandes fibres ont tendance à augmenter les propriétés mécaniques en traction.

L’ajout de fibres influence les propriétés mécaniques du biocomposite par rapport au polymère seul. Le taux et la taille des fibres jouent principalement sur le module de Young et permettent une meilleure résistance aux chocs. Le choix des fibres, de la matrice et du taux de fibres sont également déterminants en ce qui concerne le procédé de fabrication, en termes de coûts et d’énergie.

III - Barquettes alimentaires : des enjeux économiques intéressants

Plan

III-1 - Un secteur en croissance sur le marché de l'emballage

L'enquête statistique publiée en 2008 par le Ministère de l'économie, de l'industrie et de l'emploi situe l’industrie française de l’emballage au deuxième rang européen en termes de chiffre d’affaires et au quatrième rang des exportateurs mondiaux. Avec un chiffre d'affaires d'environ 20 milliards d’euros, elle représente 3% du total des ventes de l’industrie manufacturière. Le marché de l'emballage plastique génère un chiffre d’affaires d’environ 7 milliards d’euros et le secteur agroalimentaire en est le principal client : 40% du chiffre d'affaires en France et 65% en Europe [Figure 11].

                     
  Figure 11 - Chiffres clés de l'industrie française de l'emballage
[France Emballage]
 
     

En 2009, les barquettes en plastique et en aluminium ont généré 6,54 millions d'euros de chiffre d'affaires soit 3% du marché de l’emballage.

Encore au stade de la recherche, les barquettes en biocomposites, avec une matrice plastique à 80%, contribueront  à ce marché, une fois parvenues à maturité.

Le secteur des barquettes alimentaires est en pleine croissance et comporte des enjeux économiques intéressants pour de nouveaux acteurs sur ce marché. En 2007, 6 milliards de barquettes ont été livrées et facturées à 300 millions d’euros, selon les résultats de l’enquête annuelle de branche du gouvernement. Aujourd’hui, le nombre de barquettes est estimé à 10 milliards d’unités fabriquées par an, en France. Entre 2008 et 2009, le chiffre d’affaires de ce secteur a fait un bond de 15,6%.

Début 2011, le cabinet d'études MSI estime que le marché des barquettes alimentaires en plastique connaîtra une croissance de 14 ,4% d’ici 2015 [Figure 12].

                Tendance du marché des barquettes alimentaires en plastique en France      
  Figure 12 - Tendance du marché des barquettes
alimentaires en plastique en France - 2006-2015
[Emballage Digest]
 
     

Bien que ce secteur soit en pleine expansion, l'évolution sera différente selon le matériau utilisé. Ainsi, l’étude prévoit une diminution des ventes de 8,3% pour les barquettes en polystyrène expansé (PSE) et de 1% pour les barquettes en polystyrène (PS). Les ventes de barquettes en polychlorure de vinyle (PVC), quant à elles, chuteront de 50,8%. En revanche, les barquettes en polypropylène (PP) et en polyéthylène téréphtalate amorphe (APET) connaîtront une hausse des ventes de 24% environ. La croissance la plus spectaculaire revient aux barquettes en bioplastiques avec 80% d’augmentation. Cette expansion peut être freinée en raison des coûts des bioplastiques qui se répercutent sur le prix des barquettes. En revanche, cette croissance peut être tout à fait favorable à l’introduction réelle sur le marché des barquettes en biocomposites.

                Prix des matières plastiques      
  Tableau 5 - Prix des matières plastiques
[Réseau Plasturgie]
 
     
Matériau PET PP Alu PLA PS PSE
Prix de la barquette 500 cm3 à l'unité (€) 0,13 0,05 0,12 0,26 0,04 0,14

Tableau 6 - Prix de la barquette à l'unité en fonction du matériau

L’évolution du marché des barquettes est fortement liée aux tendances de la consommation alimentaire : à domicile ou hors domicile, restauration individuelle ou collective. Dans la restauration collective, le développement des barquettes (emballages jetables) a été favorisé par les normes d'hygiène et par leur adaptation aux techniques de liaison chaude et de liaison froide utilisées dans ce secteur. De même, ce type de conditionnement  a su s’adapter aux attentes des consommateurs grâce aux améliorations apportées à sa praticité et à ses formes mais également à ses caractéristiques techniques, notamment ses propriétés barrière. Enfin, l’arrivée des marques de distributeurs (MDD) dans les grandes surfaces favorise le développement des barquettes alimentaires dans le marché de l’emballage.

III-2 - PME ou multinationales, des acteurs non spécialisés

Sur le marché des barquettes alimentaires, il y a aussi bien des PME que des multinationales. Les acteurs du marché ne sont pas spécialisés dans ce secteur et recoupent la plupart du temps le secteur de l’emballage voire un plus large marché (production de machines et d'équipements) pour les grands groupes. Le Tableau 7 répertorie les principaux acteurs du marché pour les barquettes classiques et pour les barquettes en biocomposites.

                Acteurs du marché des barquettes alimentaires      
  Tableau 7 - Acteurs du marché
des barquettes alimentaires
[Cliquer sur l'image pour l'agrandir]
 
     

À noter : il n'y a pas de développement localisé des barquettes en biocomposites, plusieurs groupes envisagent d'en produire. De même, il faut remarquer la présence sur le marché d’entreprises qui commercialisent des barquettes en bioplastiques (ex.PLA, polyester Mater-Bi®) sans fibres de renfort. Les barquettes en biocomposites ne sont pourtant pas délaissées : trois fabricants affichent déjà de tels produits. Néanmoins, elles ne sont pas encore industrialisées à grande échelle et leur nombre d’unités reste faible par rapport au nombre total d’unités produites dans le monde (0,3%).

IV - Analyse économique et prospective

Plan

IV-1 - Variables essentielles et facteurs de développement

Examinons les variables essentielles qui ont un impact sur l’évolution technico-économique des barquettes biocomposite à base de fibres naturelles sur le marché :

Les facteurs-clés de développement de ce produit sont les suivants :

L'un des facteurs majeurs concernant le développement des barquettes biocomposite à base de fibres naturelles est leur prix par rapport à celui des barquettes classiques issues de matériaux pétrolifères. Le moindre coût des ressources végétales faciles à obtenir et l'augmentation constante du prix du pétrole dont les gisements, difficiles à exploiter, s'épuisent, peuvent inciter les industriels à miser de plus en plus sur des produits biodégradables qui, en outre, donnent une image "verte" de l’entreprise.
Le Tableau 8 ci-dessous récapitule les liens entre les variables essentielles et les facteurs-clés de développement ainsi que les enjeux et les impacts du développement des barquettes biocomposite à base de fibres naturelles.

Variables essentielles Facteurs-clés Enjeux Impact sur le développement
des barquettes en biocomposites
Prix du biocomposite Augmentation du prix du pétrole
Optimisation des procédés de fabrication
Économiques Positif
Disponibilité des matières premières Pas de géolocalisation
des matières premières végétales
Économiques et politiques Positif
Éthique / Utilisation de ressources
alimentaires (maïs, blé…)
Négatif
Type de produit Applications variées Économiques (parts de marché)
et techniques
Positif
Procédé de fabrication Possibilité d'appliquer
les procédés de la plasturgie
Techniques Négatif (limitations techniques
sur certains composites)
Législation Compatibilité alimentaire Politiques et santé Négatif
Propriétés Amélioration des performances techniques Techniques Positif

Tableau 8 - Impact des variables essentielles et des facteurs clés sur le développement des barquettes en biocomposites

IV-2 - Diagnostic stratégique (SWOT)

Avec le diagnostic stratégique, analysons l'environnement économique et technique afin de déterminer les menaces et les opportunités ainsi que les forces et les faiblesses du développement des barquettes biocomposite à base de fibres naturelles [Tableau 9].

Forces Faiblesses
  • Réduction de la dépendance aux ressources pétrolières
  • Valorisation des déchets organiques
  • Biodégradabilité
  • Ethique et utilisation des ressources alimentaires pour certains produits
  • Technologies de valorisation en cours de développement
  • Prix élevé
  • Recyclage difficile
  • Migration et contact alimentaire (particules et odeurs)
Opportunités Menaces
  • Remplacement des matériaux plastiques
  • Développement de la recherche dans ce domaine
  • Déchets végétaux à valoriser en Europe
  • Perspectives environnementales (image)
  • Non disponibilité de la matière première
  • Surfaces arables limitées
  • Approvisionnement en eau
  • Filières de recyclage non développées

Tableau 9 - Analyse stratégique via la matrice SWOT du marché des barquettes alimentaires
en biocomposites à base de fibres naturelles

IV-3 - Impact environnemental

Une analyse environnementale nous semble intéressante car, face aux consommateurs de plus en plus sensibilisés au développement durable, c’est l'une des stratégies utilisables par les industriels pour valoriser les barquettes alimentaires en biocomposites matrice végétale + renfort végétal plus respectueuses de l’environnement que les barquettes en matériaux conventionnels.

L’impact environnemental des biocomposites est influencé par les constituants utilisés.

En effet, selon l’affinité matrice/fibre, et selon la fibre elle-même, l’apport énergétique pour fabriquer le biocomposite est différent ainsi que ses effets sur l'environnement. Par exemple, la captation du carbone dans le chanvre équivaut à 0.79kg CO2/kg fibre, lors de sa culture. De plus, la récupération d’énergie lors de l’incinération du chanvre en fin de vie permet un gain énergétique d'environ 10 MJ/kg. L’émission de gaz à effet de serre est moindre. Enfin, pour ces biocomposites 100% bio-sourcés, la toxicité humaine et aquatique diminue.

La réduction des coûts énergétiques et l'amélioration du bilan carbone passent par une grande affinité matrice/fibre optimisée notamment par l’amélioration des techniques de greffage et, également, par l’utilisation de fibres cultivées localement ou à proximité de l’unité de production des biocomposites.

Pour la recycler les biocomposites en fibres végétales, il reste à mettre en place un système de tri comme celui existant pour les biocomposites renforcés par des fibres de verre. Le recours aux bioplastiques et aux biocomposites dans des domaines autres que l’agroalimentaire laisse présager la mise en place de réseaux de tri qui favoriseront la diminution des retombées environnementales des biocomposites. Enfin, l'une des conditions nécessaires à la biodégradabilité du biocomposite est la biodégradabilité de sa matrice mais aussi celle de la fibre qui ne sont pas nécessairement identiques et qu’il faut prendre en compte pour la fin de vie du produit.

IV-4 - Analyse concurrentielle (diagramme de Porter)

Les cinq forces de Porter qui dynamisent le marché des barquettes alimentaires sont présentées dans le diagramme ci-dessous [Figure 13].

                Analyse concurrentielle du marché des barquettes alimentaires en biocomposites      
  Figure 13 - Analyse concurrentielle du marché des barquettes alimentaires en biocomposites
[Cliquer sur l'image pour l'agrandir]
 
     

Au centre du diagramme, figure le marché actuel des barquettes alimentaires avec le nouvel entrant : les barquettes en biocomposites. Les produits et les matériaux composant ces barquettes sont indiqués ainsi que les acteurs principaux et les fournisseurs de matières premières. Ce diagramme souligne qu’il existe un autre substitut potentiel que les barquettes en biocomposites pour remplacer les barquettes alimentaires en PE, PP, PS, aluminium et carton : les barquettes alimentaires fabriquées à partir de bioplastiques de type PLA ou PE vert. La concurrence est rude sur ce marché et, à l’avenir, ces nouveaux bioplastiques pourraient se développer à plus grande échelle que les barquettes en biocomposites.

Il est possible également de déduire de ce diagramme le poids du pouvoir de négociation des consommateurs situés en bout de chaîne. En effet, le prix et l’image environnementale d’un emballage influent sur le choix des consommateurs et, par conséquent, sur le développement ou non d’un type de barquettes par les acteurs du marché. Les fournisseurs ont également un rôle important à jouer sur ce marché : si les matières premières notamment végétales sont disponibles et accessibles, il sera avantageux pour ces fournisseurs de produire des biocomposites.

Enfin, bien que non présentées dans ce diagramme, les législations et réglementations relatives au contact alimentaire ont bien sûr un impact important sur ce marché.

IV-5 - Perspectives techniques et scientifiques

Les propriétés et les performances techniques des matériaux utilisés pour fabriquer des barquettes biocomposites joueront un rôle majeur dans l’évolution de ces dernières sur le marché des barquettes alimentaires dans les dix prochaines années. Ainsi, les centres R&D des entreprises qui produisent ces barquettes travaillent actuellement sur :

IV-6 - Scénarios

IV-6-1 - Scénario tendanciel - 2020 : les réserves pétrolières s’amenuisent et les barquettes biocomposites prennent 5 à 10% du marché

En 2020, les progrès techniques permettent de trouver de nouveaux gisements pétroliers. Cependant, ces réserves s’amenuisent et les consommateurs voient d’un mauvais œil les produits fabriqués à partir de ces ressources fossiles. Pour préserver leur image, les industriels fabriquent des produits respectueux de l’environnement : l'industrie des barquettes alimentaires développent des produits issus de matières premières renouvelables et 10% du marché des barquettes alimentaires reviennent aux barquettes en biocomposites à base de fibres naturelles.

Malgré tout, certaines sociétés fabriquent à grande échelle des produits thermoformés en PLA ou encore PE vert (recyclables, biocompostables et issus de matières premières renouvelables) et limitent la croissance économique des produits en biocomposites, plus chers et plus compliqués à fabriquer. La concurrence reste forte.

Probabilité de réalisation du scénario : 50%

IV-6-2 - Scénario optimiste – 2050 : les ressources pétrolières ont disparu et les barquettes en biocomposites sont leaders sur le marché

Les travaux scientifiques entraînent d'énormes progrès en ce qui concerne les propriétés mécaniques et barrière des biocomposites. La technique de greffage est maîtrisée et elle est réalisée à l’échelle industrielle. De plus, les ressources pétrolières sont totalement épuisées en raison d'une consommation excessive durant 20 ans. Les polymères pétroliers sont alors remplacés par des synthons (PLA, PE vert) renforcés avec des fibres végétales (moins chères et plus résistantes). Les barquettes alimentaires sont donc à 100% en biocomposites renforcés avec des fibres naturelles. Les risques de ce scénario sont liés aux ressources pétrolières encore disponibles. Aujourd’hui (2010), la moitié des ressources pétrolières disponibles ont été consommées (150 milliards de tonnes en 40 ans). Il pourrait encore y avoir 30 milliards de tonnes de pétrole disponibles non découvertes, ce qui repousserait l’échéance de scénario.

Probabilité de réalisation du scénario : 25%

IV-6-3 - Scénario pessimiste – 2020 : Les biocomposites n’ont pas la cote auprès des industriels

Dans les dix prochaines années, les nouveaux synthons ont la cote (PLA, PE vert). Leurs propriétés mécaniques et barrière sont intéressantes et ils peuvent être plus facilement industrialisés que les biocomposites. Pour des applications comme les barquettes alimentaires, le développement de composites est trop cher pour une qualité et des propriétés non prouvées. La recherche est donc arrêtée. De plus, les normes européennes interdisent l’utilisation de nanoparticules (whiskers ou MFC) pour les emballages en contact avec des aliments. L’abandon des projets de recherche sur les barquettes en biocomposites provoque une disparition totale de ces dernières sur le marché.

Probabilité de réalisation du scénario : 25%

V - Conclusion

Plan

Les emballages de type barquettes sont largement utilisés dans l’industrie agroalimentaire. La recherche d’alternatives aux ressources pétrolières et la sensibilisation de la population au développement durable sont des facteurs pouvant fortement influencer l'essor des barquettes en biocomposites sur le marché. Le biocomposite matrice végétale + fibre végétale peut bénéficier de son image "verte" pour prendre des parts de marché sur la barquette conventionnelle actuelle.

D’un point de vue technique, l’utilisation de barquettes en biocomposites semble possible pour certaines applications. En effet, en ce qui concerne les propriétés mécaniques, le biocomposite présente de meilleurs atouts que la plupart des polymères employés actuellement. En outre, les avancées de la recherche sur les propriétés barrière liées à l’ajout d’un renfort végétal (microfibrilles ou nano-éléments) pourraient justifier l’emploi de barquettes en biocomposites.

L’arrivée simultanée sur le marché des barquettes en bioplastiques représente la plus grande menace au développement des barquettes en biocomposites. Les nouveaux biopolymères (PE vert, polyester Mater-Bi) présentent les mêmes qualités techniques que les polymères issus du pétrole. Le renfort avec des fibres confère une valeur ajoutée certaine par rapport aux barquettes classiques mais la demande sur le marché ne compensera peut-être pas le prix de la valeur ajoutée.

VI - Bibliographie - Webographie

Plan

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Résultats annuels des enquêtes de branche, 2007
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"La recherche au service des emballages" Portes Ouvertes Transferts LR
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    Les barquettes alimentaires en plastique : croissance de 14% d’ici 2015 et forte progression du bio-plast.   Emballage Digest, 19 avril 2011
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    Emballages écologiques & recyclage des fibres.   Institut Carnot Énergies du Futur
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    Les recyclables.   Symtoma
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MOSINIAK M.   Le chanvre et la fibre de chanvre.   Futura-Techno, 14 décembre 2005
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    Le lin, une matière naturelle et écologique.   Obiwi, 21 novembre 2008
Consulter
     
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