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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Biocomposites pour applications antichoc : quel apport des nanocelluloses ? Révision : 20 juin 2013  
Biocomposites pour applications antichoc :
quel apport des nanocelluloses ?
 
             Hippolyte DURAND et Yannis LABAT

Élèves ingénieurs 2e année
Avril 2013
Mise en ligne - Juin 2013

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 - Biocomposites pour applications antichoc.
Apport des nanocelluloses
III - Analyse économique
IV - Perspectives
V - Conclusion
VI - Bibliographie - Webographie
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I - Introduction

Plan

   
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            Dorsale antichoc      
  Figure 1 - Dorsale
antichoc
 

Conçu pour résister aux chocs, un matériau antichoc a des propriétés de résistance mécanique élevées et intéresse de nombreux secteurs : automobile, transports, emballage, bâtiment, sports et loisirs [Figure 1].

Les matériaux composites présentent des caractéristiques mécaniques intéressantes pour des applications antichoc. Ils sont fabriqués à partir de polymères issus de produits dérivés du pétrole (éthylène, propylène, benzène). Avec l'appauvrissement des ressources pétrolières et l’augmentation du cours du baril, il est désormais impératif de trouver des alternatives [Figures 2 & 3].

 

               Cours du baril de pétrole   Évolution de la production de pétrole      
  Figure 2- Cours du baril de pétrole
[France Inflation]
  Figure 3 - Évolution de la production de pétrole
[ASPO]
 
         

Depuis les années 80, des recherches sont menées sur les biocomposites. Ces composites intègrent dans leur conception des matériaux issus de la biomasse végétale à l’instar des biopolymères dont la production, ces vingt dernières années, est passée de 0 à 600 000 tonnes par an. Le but est de parvenir à la production industrielle de matériaux composites issus de ressources naturelles et capables de résister aux chocs.

La cellulose est le polymère naturel le plus disponible sur la planète : 100 109 tonnes par an produites par la nature à travers la photosynthèse. C’est donc vers ce composé que se tournent la majorité des recherches actuelles. En effet, il est possible d’isoler des nanocelluloses à partir des fibres de cellulose. L’analyse des propriétés des nanocelluloses permet d’étudier la possibilité de les utiliser dans la conception des biocomposites antichoc.

Les nanocelluloses se présentent sous deux formes, à deux niveaux dimensionnels : les microfibrilles de cellulose (MFC), obtenues par transformation mécanique, et les nanocristaux de cellulose ou nanocelluloses cristallines (NCC), obtenus par transformation chimique des fibres de cellulose. Leurs applications potentielles sont variées et de multiples études se concentrent sur leurs propriétés mécaniques et leur intérêt en tant que renfort dans un composite.

Quel avenir peut-on envisager pour les biocomposites au renfort de nanocelluloses dans des applications antichoc ?

II - Biocomposites pour applications antichoc. Apport des nanocelluloses

Plan

II-1 - Matériau composite, traditionnellement dérivé de la pétrochimie

Un matériau composite est un assemblage d'au moins deux matériaux non miscibles mais ayant une forte capacité d'adhésion. Le matériau ainsi constitué a des propriétés que les éléments seuls n'ont pas. Il a souvent une densité plus faible que les métaux et a donc besoin de moins d’énergie pour sa fabrication.

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 mécaniques accrues (par exemple, le module de Young, limite élastique et contrainte à la rupture plus élevés).

Les matériaux antichoc sont principalement constitués d’une matrice à base de polymère thermodurcissable (polyester, résine époxy) ou d’un polymère thermoplastique (polypropylène, polyamide) et d’un renfort à base de fibres synthétiques (fibres de verre, de carbone ou d’aramide) [Figure 4].

                Fibre de carbone tissée      
  Figure 4 - Fibre de carbone tissée
[Academic]
 
     

Ces fibres fournissent les propriétés mécaniques au composite. Par exemple les fibres de verre, les plus utilisées, ont un module de Young d’environ 70GPa et sont utilisées dans 95% des cas pour renforcer des composites thermoplastiques et thermodurcissables [Figure 5].

                Évolution de la demande mondiale de fibre de carbone en tonnes      
  Figure 5 - Évolution de la demande mondiale de fibres de carbone en tonnes
[EuCIA]
 
     

Il faut noter que les thermodurcissables ne peuvent être mis en œuvre qu'une seule fois et deviennent infusibles et insolubles après polymérisation. Les thermoplastiques peuvent être mis en forme plusieurs fois lorsqu’ils sont chauffés au-dessus de leur température de transition vitreuse (à partir de laquelle des mouvements intermoléculaires sont possibles).

Un intérêt croissant est porté aux fibres végétales, comme celles issues du chanvre ou du lin. En effet, des recherches montrent que, dans certaines applications de composites, leurs performances sont semblables à celles des fibres de verre. Bien qu'aujourd'hui considérées comme nouveau renfort, ces fibres végétales sont en fait déjà utilisées dans les secteurs du bâtiment, de l’automobile et de l’électronique.

II-2 - Biocomposite : matrice et/ou renfort issus de la biomasse

Un matériau est "biocomposite" quand sa matrice ou son renfort, ou bien les deux, sont issus de la biomasse végétale. Ils peuvent être fabriqués à partir de fibres naturelles ou synthétiques et de polymères non biodégradables dérivés du pétrole (PE, PP, époxy,…) ou de biopolymères (PLA, PHAs,…). Les biocomposites fabriqués à partir de fibres issues des plantes (fibres naturelles) et de polymères biosourcés (biopolymères, bioplastiques) sont souvent appelés "composites verts".

Dans cette étude, nous traitons des biocomposites à renfort végétal :

Le renfort considéré est issu de fibres naturelles, ce qui comprend les microfibrilles de cellulose (MFC) issues d’un traitement mécanique, et les nanocristaux de cellulose (NCC) issus d’un traitement chimique.

II-2-1 - Les fibres naturelles comme renfort

Les fibres naturelles d’origine végétale sont les plus utilisées pour renforcer les matériaux biocomposites car ce sont des ressources disponibles (production de cellulose = 200 milliards tonnes/an), renouvelables et compétitives en termes de coûts (prix de la cellulose = entre 0,5 et 1€/kg). De plus, elles ont une densité faible (densité de la cellulose = 1,55), sont biodégradables, flexibles, non abrasives et non toxiques. Il est possible de modifier facilement leur état de surface et de produire de l’énergie en les brûlant sans résidus à la fin de leur cycle de vie. Les fibres naturelles couramment employées dans la recherche scientifique et dans la fabrication industrielle de biocomposites sont issues du chanvre, du lin, du sisal, du coton, de la paille de blé et du bois [Figures 6 & 7]. Le chanvre, le lin, le sisal et le coton viennent des exploitations agricoles ou des déchets de l’agriculture.

                       
  Figure 6 - Chanvre
[Futura-Techno]
  Figure 7 - Fibres de chanvre vues
au microscope optique
[Cerig]
 
         

Les variables essentielles qui déterminent les propriétés d'une fibre sont sa structure, l'angle microfibrillaire (orientation des microfibrilles par rapport à l’axe de la fibre) et sa composition chimique. En général, la force de la fibre s'accroît quand le taux de cellulose augmente et l’angle microfibrillaire diminue. La fibre est plus rigide et possède une force à la rupture élevée lorsque les microfibrilles sont orientées parallèlement à l’axe de la fibre. Cependant, l’allongement à la rupture diminue dans ce cas. Or, ces deux propriétés sont essentielles pour étudier le comportement au choc.

Des relations semi-empiriques décrivant ce phénomène ont été établies par K.G. Satyanarayana [et al.] en 1982. Elles mettent en corrélation l'allongement à la rupture et la force à la rupture avec l’angle microfibrillaire et le taux de cellulose :

avec θ l’angle microfibrillaire en ° et W le taux de cellulose en %.

Le Tableau 1 récapitule les propriétés mécaniques des fibres issues de différentes plantes annuelles. Les propriétés de résistance des fibres de chanvre et de lin sont particulièrement intéressantes pour des applications antichoc.

                     
  Tableau 1 - Propriétés des fibres de plantes annuelles  
     

II-2-2 - Une matrice en polymère

La matrice d'un composite peut être de type polymère, métallique ou céramique. Il existe des polymères thermodurcissables, infusibles et insolubles et des polymères thermoplastiques, fusibles et solubles. Ces derniers peuvent être remoulés aisément en raison de leur caractère fusible. En termes de recyclage, les thermoplastiques présentent donc un avantage certain sur les thermodurcissables.

Parmi les thermoplastiques, il faut distinguer les polymères issus du pétrole et les polymères issus de ressources renouvelables (biomasse) dits "biosourcés". Dans le Tableau 2 ci-dessous, les polymères biosourcés les plus utilisés sont le polyacide lactique (PLA) et l’amidon. Le polyéthylène (PE) et le polystyrène (PS) sont les plus utilisés comme matrice polymère issue du pétrole. Dans l'orientation actuelle vers le développement durable, les travaux de recherche et quelques applications industrielles portent davantage sur le PLA et l’amidon (ex : société Roquette en France, produits dérivés de l’amidon).

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 2 - Matériaux utilisés dans les biocomposites pour barquettes alimentaires
[Cerig]

Principaux fabricants de biocomposites : AFT Plasturgie, ADmajoris, Futuramat, J. Rettenmaier & Söhne (JRS) et Beologic.
Principaux domaines d’application des biocomposites : bâtiment, automobile, transport, emballage et ameublement.

II-2-3 - La cohésion fibre-matrice

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

Les performances du biocomposite dépendent non seulement des propriétés de ses composants mais aussi de leur compatibilité interfaciale. Le transfert de contrainte de la matrice aux fibres, qui est un paramètre prépondérant pour obtenir un composite performant, est déterminé par le degré d’adhésion fibre/matrice. Une forte adhésion à l’interface est nécessaire pour avoir un transfert efficace des distributions de charges et de contraintes. Pour améliorer les propriétés mécaniques d'un composite fibres-polymère, des agents compatibilisants ou agents de couplage (composés silane et isocyanate) sont appliqués sur les fibres afin de créer des interactions physiques ou des liaisons chimiques entre le renfort et la matrice.

Les fibres sont hydrophile car elles possèdent de nombreux groupements hydroxyles qui créent des interactions avec les molécules d’eau par des liaisons hydrogène. Cette hydrophilie nuit au transfert de contrainte. Pour la limiter, il est possible d'imprégner les fibres avec des agents alcalins (anhydride acétique) qui vont substituer ces groupements –OH.
De même, il est possible d'améliorer l’adhésion entre la fibre et la matrice par traitement physique : fibrillation ou application de décharges électriques (traitement corona) à la surface des fibres. Enfin, on peut quantifier l’adhésion entre le renfort et la matrice en calculant la contrainte interfaciale nécessaire à la dislocation de la fibre avec la matrice (IFSS : Interfacial Shear Stress).

τ = F/πdL : F est la charge maximale mesurée pour disloquer la fibre de la matrice, d est le diamètre de la fibre et L est la longueur de la fibre incrustée dans la matrice.

Exemple de l’affinité PE/coton dans un composite :

II-3 - Nanocellulose : généralités & production

         
  Figure 8 - Structure de la cellulose
[C&EN]
 

La nanocellulose est un matériau d’origine naturelle dont l’histoire industrielle débute à peine mais, compte tenu l’appauvrissement des ressources pétrolières, qui est promis à un développement rapide et diversifié.

Issu de la cellulose [Figure 8], la nanocellulose existe sous deux formes : les microfibrilles de cellulose (MFC) et les nanocristaux de cellulose ou nanocelluloses cristallines (NCC). Les MFC sont obtenues par traitement mécanique alors que c’est un procédé chimique qui conduit à la formation des NCC.

Pour produire des nanocelluloses, la première étape est d’éliminer la lignine et les hémicelluloses de la paroi végétale des fibres cellulosiques. Ces dernières subissent ensuite un traitement alcalin à chaud (80°C, NaOH 4%) puis un blanchiment à l’aide de composés chlorés (NaClO2) toujours à la même température. Il en résulte des fibres blanchies sur lesquelles différents traitements aboutissent à la production soit de microfibrilles de cellulose (MFC) soit de nanocelluloses cristallines (NCC).

II-3-1 - Production des MFC

Il faut délaminer les fibres de cellulose afin d'obtenir des filaments plus fins via des traitements mécaniques intenses selon différentes méthodes :

Les caractéristiques morphologiques des MFC sont les suivantes : diamètre = 50-100 nm ; longueur = 1000-2000 nm.

II-3-2 - Production des NCC

L’hydrolyse acide des zones amorphes de la cellulose permet de récupérer les nanocelluloses cristallines. Les régions amorphes représentent les points de faiblesse du matériau ce qui entraîne un clivage transversal des microfibrilles en monocristaux lors de l’hydrolyse acide. Les segments cristallins sont récupérés intacts.

C’est la cinétique d’hydrolyse des zones amorphes qui, étant plus rapide que celle des zones cristallines, permet la production des NCC. On obtient par la suite une suspension colloïdale qui est diluée et subit ensuite plusieurs lavages par centrifugations successives afin d’éliminer l’acide restant. Enfin, il est possible de réaliser une dispersion plus fine des whiskers de cellulose par un bombardement d’onde de pression (traitement ultrason).

Différentes études menées par M.A.S. Azizi Samir [et al.], X.M. Dong [et al.] ou encore S. Beck-Candanedo [et al.] s’accordent sur le fait que plus la durée de l’hydrolyse est élevée, plus les nanoparticules obtenues sont courtes et moins polydimensionnelles. Un procédé optimisé préconise l’utilisation de 63,5% d’acide sulfurique en poids pendant 2h afin d'obtenir des nanocristaux de cellulose de 200 à 400 nm de longueur et d’une largeur inférieure à 10 nm, le tout pour un rendement en masse de 30%. La Figure 9 offre un aperçu des nanocristaux obtenus à partir de différentes essences.

                Nanocristaux de cellulose issus de différentes essences      
  Figure 9 - Nanocristaux de cellulose issus de différentes essences  
     

La morphologie de ces nanocristaux varie selon les caractéristiques de l’hydrolyse par laquelle ils sont produits mais aussi selon la source végétale dont ils proviennent [Tableau 3].

Source Longueur (nm) Diamètre (nm)
Coton 170 15
Ramie 200 7
MCC 200 5
Betterave 210 5
Palmier 260 6
Paille 225 5
Tunicine 1000 15
Sisal 300 5

Tableau 3 - Comparaison morphologique des NCC suivant l'essence d'origine

Les NCC sont insolubles dans la plupart des solvants excepté l’eau avec laquelle ils parviennent à former une solution colloïdale. La stabilité de cette suspension peut être améliorée par l’oxydation de la surface des nanocristaux ou par ajout d’acide hydrochlorique.
De plus, la suspension de NCC présente une organisation régulière des nanocristaux selon une direction commune. Cette structure est conservée même après séchage ce qui rend possible la création de films de NCC extrêmement résistants [Tableau 4]. Cela ouvre le champ à de nombreuses applications dans le domaine des biocomposites pour des applications antichoc.

Matériaux Résistance à la traction (MPa) Module d'élasticité (Gpa)
Nanofibrilles de cellulose 10 000 150
Acier inoxydable 1280 210
Alliages d’aluminium 380 330
Zircone 240 150
Aluminium avec 20% SiC particulaire 593 121
Polyéthylène faible densité 9 0.25
Nylon armé de verre 6/6 30% 186 9
Carbone en époxyde 0/90/ ±45 503 65

Tableau 4 - Comparaison des propriétés mécaniques

Considérant les propriétés mécaniques de ces dérivés des fibres de cellulose, il est légitime de penser à les substituer aux fibres synthétiques dans la fabrication des composites afin d'obtenir des performances semblables voire meilleures pour les applications antichoc.

II-4 - Physique du choc et matériaux composites

Dans un matériau composite, plusieurs types d’endommagement peuvent être observésà différentes échelles :

Les principales propriétés de résistance aux chocs sont la résistance à la traction et à la compression, à la flexion, l’allongement à la rupture et à l’impact. Cette dernière se mesure grâce à l'essai Charpy : il mesure l'énergie nécessaire pour rompre en une seule fois une éprouvette préalablement entaillée. L'utilisation d'un mouton-pendule muni à son extrémité d'un couteau permet de développer une énergie donnée au moment du choc. L'énergie absorbée est obtenue en comparant la différence d'énergie potentielle entre le départ du pendule et la fin de l'essai.

                Schéma de principe de l'essai Charpy      
  Figure 10 - Schéma de principe de l'essai Charpy
[Wikipédia]
 
     

Les matériaux cellulosiques ont de très bonnes caractéristiques dans ces domaines [Tableaux 1 & 4]. Cependant, il faut faire attention aux idées préconçues. Certes, les biocomposites présentent une augmentation des modules de Young et des contraintes à la rupture (s'il y a une bonne adhésion fibres/matrice) mais on observe également une diminution de l’allongement à la rupture et des propriétés de résistance au choc. L'augmentation du pourcentage massique de différentes fibres dans une matrice polyéthylène haute densité augmente le module de Young et diminue l’allongement à la rupture et la résistance à l’impact (calcul d’après l'essai Charpy) [Figures 11 & 12].

                     
  Figure 11 - Influence du taux de fibres pour différentes grandeurs physiques caractéristiques de la résistance du biocomposite
(Matrice: PEHD - Renfort: fibres de chanvre, lin, coton, sisal - Compoundage: monovis)
 
     
                     
  Figure 12 - Influence du taux de fibre pour trois autres grandeurs physiques caractéristiques de la résistance du biocomposite
(Matrice: PEHD - Renfort: fibres de chanvre, lin, coton, sisal - Compoundage: Monovis)
 
     

Or, le module de Young et l'allongement à la rupture sont des propriétés importantes quant au comportement du matériau face à un choc. Il faut donc trouver un compromis entre la diminution de l’allongement du matériau et l’augmentation de son module de Young afin de minimiser son endommagement lors d'un choc.

L'utilisation de nanocelluloses (NCC ou MFC) pour fabriquer des biocomposites dédiés à des applications antichoc semble donc tout indiquée même si la production industrielle de NCC débute à peine au Canada avec CelluForce, première usine du genre au niveau mondial, en fonction depuis 2011. Sa capacité de production approche une tonne par jour. Cependant les propriétés de résistance aux chocs ne semblent pas meilleures que celles des matériaux composites à base de fibres synthétiques. À l’avenir, il faudra trouver des moyens d’améliorer les propriétés de résistance à l’impact de ces biocomposites pour qu’ils puissent remplacer les composites actuels. Autre voie d’optimisation des biocomposites : renforcer l’adhésion entre la fibre et la matrice par des traitements de surface physiques ou chimiques.

II-5 - Aspect environnemental des biocomposites à base de nanocelluloses

Utiliser des matériaux d’origine végétale correspond à une volonté sociétale d’adopter une gestion plus durable de notre consommation. La raréfaction des ressources fossiles incite à se tourner progressivement vers des matériaux naturels dont le cycle de vie, de la conception à la destruction ou recyclage, tient compte de l’impact environnemental.

Les biocomposites 100% biosourcés (matrice et renfort d’origine naturelle renouvelable) s’intègrent pleinement dans cette démarche. En effet, le recyclage de ces biocomposites s’envisage pleinement puisque les composés d’origine végétale sont par nature biodégradables. Toutefois, peu voire aucun composites totalement biodégradables ne sont commercialisés à ce jour.

Néanmoins, il est intéressant d'étudier l’impact environnemental et l’analyse du cycle de vie de ces matériaux qui, pour la plupart, ont un seul de leurs composés (renfort ou matrice) biosourcé. D’après le Centre technique de la plasturgie et des composites, l’impact environnemental est abaissé sur la phase de production des fibres naturelles par rapport à celle des fibres de verre. Les composites à fibres naturelles contiennent également plus de fibres en masse pour des performances équivalentes (par rapport aux composites à fibres de verre). Il y a aussi un impact bénéfique sur les consommations de carburant car les pièces sont allégées par l’utilisation de fibres naturelles. En outre, la fin de vie des biocomposites par incinération permet la récupération d’énergie et l’économie de carbone.

III - Analyse économique

Plan

III-1 - État du marché des composites et prévision d'évolutions

À partir d’une vision générale du marché des composites puis des biocomposites, faisons le point sur le marché des biocomposites intégrant des nanocelluloses.

Il faut noter que nous parlons du marché global des composites et pas seulement pour des applications antichoc. Toutefois, considérant que l’objectif est d’obtenir des composites aux propriétés mécaniques supérieures à celles des matériaux traditionnels, cela implique généralement une augmentation de la résistance aux chocs.

La Figure 13 montre qu'en 2010, l’Amérique du Nord, l’Europe et l’Asie se partagent le marché mondial des composites de manière équivalente.

                     
  Figure 13 - Marché mondial des composites en 2010
[JEC Composites]
 
     

D'après JEC Composites, Sur le marché américain, les composites représentent 36 % de l'industrie mondiale en valeur (22 milliards d’euros) et 35 % en volume (2,7 millions de tonnes). Par ailleurs, les composites atteignent 16 % du marché nord-américain des matériaux de structure (acier : 76 %, aluminium : 8 %) grâce à une progression annuelle de 6 % entre 1960 et 2010. En comparaison et sur la même période, l'acier a connu une stagnation et l'aluminium n'a pas franchi la barre des 1 % de croissance annuelle. Ainsi, avec l’augmentation du PNB des États-Unis, le poids des composites par habitant atteint 8 à 9 kg, contre 1 à 2 kg en Chine.

Pour le marché européen des biocomposites, intégrant un composant d’origine naturelle (renfort ou matrice), Nova Institut a réalisé les prévisions suivantes [Tableau 5]

  Estimated quantities in 2010 (tons) Forecast 2020 (under favourable political framework) (tons)
Compression moulding: 190 000 370 000
with natural fibers
(more than 95% automotive)
40 000 120 000
with cotton fibres 100 000 100 000
with Wood fibres (WPC) 50 000 150 000
Extrusion and injection moulding: 172 000 550 000
Wood Plastic Composites (WPC) 167 000 450 000
Natural Fibers Reinforced Plastics 5 000 100 000
Biocomposites in total 362 000
(14% of all composites market)
920 000
(29% of all composites market)
Composites in total (glass, carbon, natural fibres & wood) 2,5 millions 3,2 millions

Tableau 5 - Utilisation des biocomposites en Europe en 2010 et estimations en 2020
[Nova Institut]

Les biocomposites représentent 14% du marché des composites en 2010. Ce pourcentage plutôt élevé dans le domaine des biomatériaux – en comparaison, les bioplastiques représentent moins de 1% du marché global du plastique – est appelé à doubler à l’horizon 2020 afin d'atteindre 29%.

Il faut remarquer également l'inversion d’importance des procédés utilisés : l’extrusion et l’injection prendront rapidement les devants même si le moulage par compression continuera de connaître un développement notable. Enfin, une très forte progression (x20) concernant les composites renforcés avec des fibres naturelles est prévue.

Le marché mondial des biocomposites atteint 2,1 milliard de dollars en 2010 avec un taux de croissance de 15% ces cinq dernières années. En 2016, il est censé atteindre 3,8 milliard de dollars [Figure 14].

                     
  Figure 14 - Expansion du marché des biocomposites
[Asta Eder Composites Consulting]
 
     

D'après le Réseau des nanoproduits de la forêt canadienne ArboraNano, les biocomposites à base de nanocelluloses ont connu une croissance de 3% en 2007. Cependant, cette année-là, 2% seulement de la totalité des composites contenait des nanocristaux de cellulose.
La demande de production de nanocelluloses dédiés aux biocomposites était de 2000 tonnes en 2007 [Tableau 6].

                     
  Tableau 6 - Synthèse des applications de NCC et informations diverses
[ArboraNano]
 
     

III-2 - Aspect environnemental et réglementaire

Les nanocelluloses sont une matière première naturelle issue de la biomasse végétale, renouvelable et présente en grande quantité partout sur la planète.

Les biocomposites, constitués de matrice et de renfort d’origine naturelle, sont faciles à valoriser par compostage. Toutefois, en ce qui concerne les biocomposites intégrant uniquement le renfort ou la matrice d’origine végétale, il n’existe pas de filière de recyclage : pour cela, il faudrait envisager la séparation des constituants, ce qui, actuellement, n'est pas viable industriellement.

Par ailleurs, des doutes subsistent sur les conséquences potentielles des nanocelluloses sur l’environnement et la santé. Le site de CelluForce mentionne la surveillance des NCC par le Règlement sur les Renseignements concernant les Substances Nouvelles (RRSN). Selon ce dernier, régi par le Ministère de l’Environnement canadien, les évaluations des nouvelles substances et de leur effet sur l’environnement et la santé sont menées par des agents d’Environnement Canada et de Santé Canada, qui analysent les données fournies par les fabricants. CelluForce fournit donc tous les renseignements permettant à ces agents de déterminer la toxicité potentielle des NCC. La collecte des informations pertinentes à l’égard des risques que présente les NCC pour l’environnement et la santé a été une étape essentielle des travaux de développement et les tests en matière de santé et sécurité au travail se poursuivent dans le cadre du fonctionnement de l’usine.

En outre, les membres du projet de recherche collaborative SUNPAP étudient également les dangers des nanocelluloses (NCC et MFC). Certaines propriétés des nanocelluloses sont pointées comme entraînant des risques pour la santé : leur forme d’aiguille et leur persistance dans le corps.

Jusqu’à présent, aucun réel danger n’a été détecté dans l’utilisation des nanocelluloses, quelles qu’elles soient. Cependant, les protocoles d’études toxicologiques sont toujours en développement. À chaque nanoparticule correspond un protocole, ce qui explique la durée nécessaire pour affirmer si les nanocelluloses représentent ou non un danger pour la santé.

III-3 - Analyse concurrentielle (diagramme de Porter)

Le diagramme de Porter ci-dessous présente les biocomposites vert/vert comme nouvel entrant sur le marché des composites antichoc.

                     
  Figure 15 - Analyse concurrentielle du marché
des composites pour applications antichoc,
apport des biocomposites à renfort de nanocelluloses
[Cliquer sur l'image pour l'agrandir] 
 
     

IV - Perspectives

Plan

IV-1 - Système étudié

Les variables essentielles et les facteurs clés de développement ont un impact sur l’évolution technico-économique des matériaux biocomposites à base de nanocelluloses sur le marché.

IV-1-1 - Variables essentielles

IV-1-2 - Facteurs clés de développement

Le faible coût, l'abondance et la facilité d'accès des matières premières végétales peuvent favoriser le développement des matériaux biocomposites à base de nanofibres de cellulose, face à la hausse constante du prix du pétrole et à la difficulté d'exploitation des gisements pétroliers qui s'épuisent.

IV-2 - Diagnostic stratégique

La matrice SWOT met en évidence les forces et faiblesses intrinsèques des biocomposites renforcés par des nanocelluloses ainsi que les menaces et opportunités extérieurs qui freineront ou favoriseront le développement du produit.

Forces Faiblesses
  • Caractère écologique (composés issus de ressources renouvelables)
  • Faible densité
  • Faible consommation d’énergie, faible abrasivité
  • Propriétés mécaniques élevées (module, contrainte)
  • Grande surface spécifique des nanofibres de cellulose
  • Biodégradabilité
  • Grande variété de fibres naturelles comme renfort dans le monde
  • Faible coût et grande disponibilité des végétaux pour la production des nanocelluloses
  • Taux élevé d’absorption d’humidité
  • Incompatibilité des nanocelluloses avec la plupart des matrices polymères car les matériaux cellulosiques se dégradent à partir de 220°C
  • Limitation de la température lors du processus de fabrication (même raison)
  • Recyclage des mélanges de matériaux plus difficile que pour les matériaux purs
  • Tonnages de fibres naturelles faibles
  • Diminution de l’allongement à la rupture et des propriétés au choc
Opportunités Menaces
  • Développement de la recherche dans ce domaine
  • Tendance "verte", alternative totale ou partielle aux matériaux issus du pétrole
  • Valorisation des produits agricoles
  • Réduction de la dépendance vis-à-vis des ressources pétrolières
  • Peu voire aucun composite totalement biodégradable commercialisé à ce jour
  • Pas de filière de recyclage des biocomposites
  • Inquiétude quant à la disponibilité des ressources en bois pour l'ensemble des secteurs industriels (diversification des applications)
  • Possibilité de ressources pétrolières pas encore découvertes
  • Possibilité d'une législation sur la manipulation des nanocelluloses, actuellement à l'étude

Tableau 6 - Analyse stratégique du marché des biocomposites intégrant des nanocelluloses

IV-3 - Scénarios

Quel avenir envisager pour les biocomposites renforcés par des nanocelluloses dans le domaine des applications antichoc ? Trois scénarios intégrant différentes hypothèses sur le développement industriel des nanocelluloses sont proposés.

IV-3-1 - Scénario tendanciel – 2020 : la production de biocomposites antichoc à base de nanocelluloses ne concurrence pas les produits traditionnels (Probabilité : 60%)

Face à l’affaiblissement de la disponibilité des ressources fossiles, le développement des biocomposites est favorisé par son aspect durable et renouvelable. De même, l’utilisation des nanocelluloses est encouragée. Des biocomposites à renfort de nanocelluloses apparaissent progressivement. Cependant, leur résistance aux chocs ne permet pas encore de concurrencer les produits traditionnels. Les formulations de composites ne présentent pas de résistance mécanique suffisamment intéressante.

En revanche, certains procédés d’additivation permettent justement d’améliorer la résistance aux chocs. En conséquence, des industriels y voient l’avenir de leur activité et des consommateurs, l’avenir de leur consommation.

IV-3-2 - Scénario pessimiste – 2020 : les nanocelluloses disparaissent du marché des biocomposites antichoc (Probabilité : 20%)

Les sociétés pionnières dans la production de nanocelluloses, à l’instar de CelluForce, font faillite. Les grands groupes, comme UPM, ayant pris part à la recherche sur les nanocelluloses abandonnent leurs projets. De plus, après de nombreuses recherches, l’apport des nanocelluloses dans les biocomposites pour des applications antichoc est plutôt négatif du fait d'une rigidification des matériaux et d'une diminution de leur capacité de déformation.
Aucun biocomposite à renfort de nanocelluloses n'est produit à grande échelle. Le marché se tourne vers des renforts sous forme de fibres traditionnelles – fibres de carbone – et plus innovantes – fibres végétales.

De plus, les ressources pétrolières sont finalement toujours capables de subvenir aux besoins de production des composites (matrice polymère : PE, PS, PET…). Cela limite le développement des biocomposites 100% biosourcés dits "vert/vert".

IV-3-3 - Scénario optimiste – 2030 : les biocomposites à renfort de nanocelluloses sont leaders sur le marché des matériaux antichoc (Probabilité : 35%)

Les ressources fossiles s'amenuisent progressivement et les gouvernements comme les industriels veulent gérer leur environnement de manière durable, ce qui favorise le développement des technologies alternatives. Les biocomposites connaissent un succès retentissant. Ceux qui comportent des nanocelluloses et sont dédiés aux applications antichoc n’échappent pas au phénomène.

En effet, l’optimisation du procédé initial de CelluForce et la réduction des coûts qui en découle permettent de produire des nanocelluloses à l'échelle industrielle partout dans le monde : 500 000 tonnes/an. Les prix atteints sont de l’ordre de 10 €/kg pour les MFC et 40 €/kg pour les NCC. Cet essor est facilité par l’incroyable disponibilité de la biomasse et l’optimisation du procédé réalisée par les chercheurs du laboratoire LGP2 de Grenoble INP-Pagora. De plus, les nanocelluloses employées comme renfort dans les biocomposites, révèlent des propriétés uniques de résistance aux chocs (module d’élasticité et allongement à la rupture plus élevés que dans les composites traditionnels). La part de leur utilisation pour des applications antichoc atteint 20%.

V - Conclusion

Plan

Le marché des biocomposites est en croissance, le développement parallèle des biopolymères tend à améliorer cette tendance. Les nanocelluloses, surtout les nanocelluloses cristallines (NCC), présentent des caractéristiques mécaniques très intéressantes, notamment leur module d’élasticité, propriétés clés pour la résistance aux chocs. Le problème concerne plutôt la mise en forme des composites contenant des nanocelluloses comme renfort : l’affinité entre renfort et matrice est capitale pour les propriétés du composite et c’est sur ce point que les nanocelluloses posent un problème. La recherche scientifique s’oriente donc vers l’étude de l’amélioration de cette affinité.

En parallèle, l’analyse économique et prospective donne un aperçu du marché des composites en général et des biocomposites en particulier. L’utilisation des nanocelluloses dans les matériaux composites antichoc n’est pour l’instant pas suffisamment développée pour parler d’un réel marché. La recherche apportera peut-être la solution au problème d’affinité matrice-renfort et conduira probablement à l'un des deux scénarios les plus optimistes. Enfin, reste en suspens la question du danger potentiel des nanocelluloses pour l’environnement et la santé. Comme souvent, lors de l’apparition d’une nouvelle technologie, la méfiance est grande. Ce phénomène est amplifié par les dimensions nanométriques des nanocelluloses, propriété figurant dans de nombreuses innovations aujourd’hui soupçonnée d'être porteuse de dangers potentiels. L’infiniment petit recèle encore bien des mystères à éclaircir. Seul le temps pourra, ou non, nous donner raison.

VI - Bibliographie - Webographie

Plan

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