Accueil     Plan | Recherche     Technique | Liens | Actualités | Formation | Emploi | Forums | Base  
Le logo du CERIG MÉMOIRE Cerig 
Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Fibres papetières & biocomposites Révision : 01 juin 2018  
Fibres papetières & biocomposites
 
             Maxime SCRIVE et Gabriel BANVILLET
Élèves ingénieurs 2e année
Mai 2016
Mise en ligne - Juin 2018
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 - Fibres naturelles et biocomposites
III - Analyse économique
IV - Perspectives
V - Conclusion
VI - Bibliographie-Webographie
Mémoire précédent    Liste des mémoires    Page technique    Mémoire suivant
Précédent Liste Thèmes Suivant

I - Introduction

Plan

   
Partagez sur Facebook
Rejoignez-nous
Voir aussi
            Utilisation de la biomasse végétale       
  Figure 1 - Biomasse végétale,
une ressource à portée de main
 

Les matériaux composites font partie de notre quotidien. Constitués d’au moins deux composants – une matrice et un renfort, la plupart du temps fibreux –, ils ont des propriétés remarquables pour des usages dans des domaines aussi divers que l'automobile, le BTP, l'aéronautique ou encore le mobilier.

Avec le développement des matériaux biosourcés, les biocomposites – des composites dont l'un des composants au moins est issu de la biomasse – connaissent un essor suffisamment significatif pour représenter un marché potentiel pour l’industrie des matériaux. Le recours aux fibres papetières d'origine végétale pour la fabrication de ces biocomposites s’inscrit parfaitement dans la volonté actuelle d'exploiter des matériaux plus "verts" c'est-à-dire conçus à partir de ressources naturelles renouvelables et recyclables. L’industrie n’a pas attendu cette prise de conscience écologique pour intégrer des fibres papetières dans les matériaux : les premiers biocomposites, à matrice phénolique et renfort de fibres de cellulose, datent en effet de 1908. L’urée et la mélamine ensuite utilisées comme matrices obtiennent dans les années 1940 le statut de commodité, avec des matériaux constitués de fibres de verre dans des polyesters insaturés. Durant la Seconde Guerre mondiale, en raison de la pénurie d’aluminium, l’armée britannique incorpore des fibres de lin imprégnées de résine phénolique dans le fuselage de ses avions Spitfire. En 1942, l'Américain Henry Ford propose le premier prototype d'automobile en composite à base de fibres de chanvre et de résine de fèves de soja. De même, entre 1950 et 1990, l’URSS développe la Traban, première voiture fabriquée à partir de fibres naturelles produite à grande échelle.

En parallèle, les composites à base de fibres synthétiques – des fibres de verre notamment – envahissent le marché et ce n'est que depuis les vingt dernières années que se manifeste un regain d’intérêt pour les fibres naturelles. En effet, bien qu'apparues très tôt dans le secteur des composites, les fibres naturelles ont peiné à s’imposer en raison de contraintes supplémentaires notamment en matière de gestion des stocks, et d'une moindre technicité par rapport au verre. C'est pourquoi le marché des composites fibreux est aujourd’hui dominé à 95% par les fibres de verre. Néanmoins, l’utilisation de fibres papetières dans les biocomposites apparaît aujourd’hui comme une solution valorisante tant au niveau écologique que financier, grâce à des arguments de taille : meilleur bilan environnemental, légèreté des matériaux et faible coût des matières premières. C’est ce fort potentiel de développement qui motive cette étude qui tente de répondre aux questions suivantes : quelle part du marché des composites occupent les fibres papetières ? Quelles sont leurs caractéristiques par rapport aux fibres synthétiques ? Quelles évolutions économiques peut-on en attendre ?

Ce rapport présente les aspects techniques et économiques du secteur, en recensant les différents types de fibres papetières et leurs propriétés, en les comparant avec les fibres de verre, et en étudiant leur mise en forme. Le cycle de vie des biocomposites fibreux est analysé ainsi que l’état du marché et ses évolutions possibles.

II - Fibres naturelles et biocomposites

Plan

Les fibres papetières sont des fibres naturelles issues de la biomasse végétale. Constituées de cellulose, d’hémicelluloses et de lignine, elles sont utilisées par l’industrie du papier.

     
                Formule chimique de la cellulose     
  Figure 2 - Formule chimique de la cellulose
[Wikipedia]
 
     

Les fibres synthétiques sont produites à partir de matières créées par synthèse de composés chimiques parfois minéraux : fibres de verre... Les fibres artificielles telles que la viscose ne sont pas considérées ici car elles ne servent pas à la fabrication de composites.

Le composite est un matériau constitué d’au moins deux composants non miscibles, une matrice et un renfort, dont les propriétés se complètent. Lorsque la matrice et/ou le renfort sont issus de ressources naturelles renouvelables (biosourcés), le matériau obtenu est un biocomposite.

Avec deux composants par exemple, il y a trois possibilités :

Les biocomposites évoqués dans notre étude concernent les deux premiers cas qui incluent des fibres de renfort biosourcées, ce que sont nécessairement les fibres papetières.

Précisons que la notion de biocomposite n’est pas définie ici par la biodégradabilité des matériaux – comme elle l'est parfois dans la littérature. Un composite formé de matériaux pétrosourcés et biodégradables, tels que le polycaprolactone par exemple, n’est pas considéré comme un biocomposite dans le cadre de notre étude.

Pour obtenir un papier uniforme, les papetiers individualisent les fibres cellulosiques au maximum en ôtant la lignine qui les lie entre elles. En outre, cette opération augmente la surface spécifique des fibres ce qui permet une liaison de meilleure qualité. En revanche, pour produire des biocomposites, les fibres cellulosiques sont employées sous forme de faisceaux (bundles). Ces derniers sont des regroupements de fibres liées entre elles par la lignine et présentent deux avantages majeurs :

     
                Faisceaux de fibres naturelles dans des composites     
  Figure 2 - Faisceaux de fibres naturelles dans des composites
[Limatb]
 
     

La figure ci-dessus montre la différence entre un faisceau de fibres et des fibres individualisées. Le matériau à base de fibres individualisées semble plus homogène que celui comportant des faisceaux. Cette hétérogénéité dans les biocomposites utilisant des faisceaux est un inconvénient car elle implique un plus grand nombre de points faibles, susceptibles de faciliter une rupture. Les biocomposites à base de fibres papetières comportent aussi bien des faisceaux de fibres que des fibres individualisées, bien que les faisceaux de fibres ne puissent pas être utilisés tels quels dans l’industrie papetière.

II-1 - Diversité des fibres papetières, diversité des propriétés

Le terme "fibre papetière" recouvre une grande variété de fibres. En effet, il est possible de fabriquer du papier à partir de toutes les fibres végétales. Elles ont des caractéristiques différentes selon l'essence du végétal, plante ou arbre. Examinons les principales fibres utilisées dans les biocomposites – bois, chanvre et lin – et comparons leurs propriétés mécaniques, notamment leur résistance à la traction et leur module de Young (module d'élasticité).

II-1-1 - Fibres de bois

Le bois étant présent partout, leurs fibres sont facilement accessibles. Elles peuvent provenir de résineux ou de feuillus. La longueur d'une fibre de bois résineux est d’environ 2 mm et son diamètre d’environ 40 µm ; la longueur d'une fibre de bois feuillus est d’environ 1 mm et son diamètre d’environ 20 µm. Les fibres de bois utilisées dans les biocomposites sont souvent issues de déchets de l’industrie de la construction. Le bois est parfois disponible sous forme de farine, notamment pour les wood-plastic composites (WPC) : on ne parle alors plus réellement de fibres mais de cellulose, hémicelluloses et lignine sous forme de fines particules.

         
               Le bois, ressource naturelle renouvelable      Farine de bois à usage industriel  
  Figure 3 - Le bois, ressource naturelle renouvelable
[Shutterstock]
  Figure 4 - Farine de bois à usage industriel
[SoloStocks]
 
         

II-1-2 - Fibres de chanvre

Le chanvre est une plante s'élevant de 1 à 3 mètres. Ses fibres ont une bonne résistance à la traction (550-900 MPa), un module de Young élevé (70 GPa), une longueur moyenne de 20 à 50 mm et un diamètre de 10-51 µm. Grâce à cette solidité, elles sont privilégiées en tant que renfort dans les composites, mais également dans d’autres secteurs comme le textile. De plus, le chanvre est cultivé dans les pays à climat tempéré, dans l’est de l’Europe, en Italie, en Chine et en France, premier producteur européen : son accessibilité est un atout majeur pour les fabricants de biocomposites. La tendance de l'offre est à la hausse et des expériences d’implantation du chanvre en France sont tentées avec succès, en Isère par exemple.

         
               Plantation de chanvre à fibre      Fibre de chanvre  
  Figure 5 - Plantation de chanvre à fibre
[Wikipedia]
  Figure 6 - Fibres de chanvre observées au microscope,
avec microflambage dans les zones de compression
[Techniques de l'Ingénieur]
 
         

II-1-3 - Fibres de lin

La tige du lin atteint 0,60 à 1,20 m de hauteur pour un diamètre de 1 à 3 mm. Les fibres de cette plante herbacée annuelle se caractérisent par une longueur importante, 33 mm en moyenne, et par un diamètre de 20-76 µm, ce qui lui permet de remplacer le coton dans l’industrie textile. Leur résistance à la traction est de 800-1500 MPa et leur module de Young de 60-80 GPa : ces propriétés leur valent d’être utilisées dans la fabrication de papiers spéciaux : papier cigarette ou papier Bible. Leur rendement est supérieur au rendement moyen de la plupart des autres fibres de plantes annuelles, avec parfois deux tonnes par hectare et par an. Le lin est produit dans le monde entier notamment en Asie, en Europe ou encore en Egypte.

         
                    Fibre de lin  
  Figure 7 - Lin en fleur
[Wikipedia]
  Figure 8 - Fibres de lin observées au microscope
[Techniques de l'Ingénieur]
 
         

II-1-4 - Autres fibres

D'autres fibres végétales peuvent entrer dans la fabrication de biocomposites.

II-1-5 - Propriétés des fibres végétales

Elles varient selon la plante, son implantation géographique et son essence. La norme utilisée pour mesurer ses propriétés mécaniques peut être un facteur d’incertitude. Ces plantes étant présentes partout dans le monde, différentes méthodes peuvent être mises en œuvre pour les essais de traction, ce qui provoque une grande dispersion dans les valeurs de module de Young ou d’allongement par exemple.

     
               Propriétés mécaniques de plantes annuelles     
  Tableau 1 - Propriétés mécaniques de plusieurs plantes annuelles
[Techniques de l'Ingénieur]
 
     

Dans le tableau ci-dessus, les fibres ayant le module de Young le plus élevé sont le lin, la ramie et le chanvre. En termes de contrainte à la rupture en traction, les valeurs les plus grandes sont détenues par le lin, la ramie, le jute et le sisal. Ces propriétés sont déterminantes dans le choix des fibres pour la fabrication de biocomposites car la résistance est très recherchée notamment dans l’industrie automobile ou la construction. D’autres plantes annuelles sont aussi intéressantes comme l’abaca qui peut avoir une contrainte à la rupture de 1000 MPa. Toutefois, la faiblesse de sa production mondiale ne lui permet pas de se positionner comme une matière première principale pour les biocomposites.

L'allongement à la rupture et la densité ont elles aussi leur importance. Le grand allongement à la rupture des fibres de coton et de sisal en font des fibres de choix pour des biocomposites subissant de forts gradients d’allongement.
Enfin, la densité de ces matériaux, relativement proche de 1,5 pour chacune des plantes annuelles, reste leur atout majeur : ces fibres sont bien plus légères que les fibres de verre par exemple (d=2,5), ce qui permet d’alléger considérablement le matériau final.

Ce tableau ne présente pas les propriétés des fibres de bois. Pour des fibres Kraft de bois résineux, la littérature indique un module de Young de 40 GPa, ce qui est comparable à ceux des fibres des plantes évoquées précédemment. Toutefois, en dépit de leurs propriétés intéressantes, les fibres de bois sont moins utilisées telles quelles dans les biocomposites mais plutôt sous forme de farine de bois. Cela s'explique par leur longueur plus faible que celle des fibres des plantes annuelles (1-2 mm contre 5-25 mm) : les fibres de bois sont donc moins efficaces comme renfort de matrice. Le marché des Wood Plastic Composites est tout de même un marché important et dynamique dans le secteur des biocomposites.

II-2 - Comparaison des fibres cellulosiques et des fibres de verre

Étudions les avantages et inconvénient des fibres naturelles en les comparant avec les fibres synthétiques majoritairement utilisées dans les composites : les fibres de verre.

II-2-1 - Matières premières

Les fibres végétales sont des matières premières renouvelables, biodégradables et recyclables. Néanmoins, des inconvénients viennent tempérer ces atouts. Les surfaces dédiées à la culture des végétaux concernés sont limitées. Certaines plantes annuelles, comme le coton, consomment une grande quantité d’eau et d’énergie ainsi que des engrais et des pesticides. Le jute, le lin et le chanvre sont moins exigeants en ressources mais des freins techniques existent, au niveau de la qualité des fibres par exemple, selon les zones de production ou les années de récoltes. Dans sa publication "Fibres agrosourcées" (2011), M. Bourgeois énonce qu'"aujourd'hui, les principaux axes de développement technique des fibres et des matériaux associés résident dans l'amélioration des propriétés des fibres par la sélection, l'optimisation des cultures et des procédés de transformation".

            La silice, constituant principal du sable      
  Figure 9 - La silice, constituant principal du sable
[Wikipedia]
 

La fibre de verre utilise les mêmes matières premières que le verre lui-même c'est-à-dire en grande majorité de la silice (dioxyde de silicium SiO2), constituant principal du sable. Ce n’est donc pas une ressource renouvelable. Toutefois, l’approvisionnement en matière première est loin d’être un facteur limitant car la silice est abondante dans la nature. De plus, le fort taux de recyclage du verre (74 % en France en 2013) laisse penser que l’on se dirige vers une gestion de plus en plus durable de ce matériau.

Néanmoins, le caractère totalement renouvelable des fibres cellulosiques reste un atout par rapport aux fibres de verre.

II-2-2 - Procédés de mise en forme

Ils diffèrent selon les fibres et sont plus ou moins énergivores. Les fibres de bois, avec un degré de cellulose supérieur à 80 % typique des pâtes kraft et chimiques, donnent de bons résultats après mise en forme dans des composites. En atteste le développement des wood-plastic composites (WPC) qui, dans le secteur de la construction, se substituent en partie aux bois exotiques menacés, mais utilisent souvent de la farine de bois. Quant aux pâtes mécaniques et semi-chimiques, elles ne semblent pas présenter d’intérêt réel : fragilisées par le traitement mécanique, elles supportent mal les gradients de cisaillement imposés lors de la mise en forme, notamment avec l’extrusion, et ne peuvent pas être réparties de façon homogène dans la matrice.

Pour un usage de renfort de matériaux composites, les fibres végétales sont généralement prélevées dans la chaîne de transformation de l’industrie textile. Cette dernière a développé diverses techniques pour séparer les fibres du reste de la plante.

Le procédé de fabrication du verre est en revanche plus énergivore. Pour faire fondre la silice, il faut lui ajouter de la soude (NaOH), de la chaux (CaO) et d’autres composants comme l’oxyde de magnésium (MgO) ou d’aluminium (Al2O3), et amener ce mélange à une température de 1500°C en moyenne. C’est l’une des températures les plus élevées de l’industrie et cette étape de cuisson représente la majeure partie du coût du process pour les fibres de verre. Des gouttes de verre visqueux sont ensuite étirées pour obtenir les fibres.

La mise en forme des fibres naturelles – exigeant de l'énergie mécanique sur un temps assez long – et celle des fibres de verre – consommant de l'énergie thermique sur une durée plus courte – diffèrent donc radicalement. Ce facteur est à prendre en compte pour expliquer la différence de prix entre les deux types de fibres.

Il faut noter que, pour obtenir des matériaux composites performants, des traitements complémentaires sont parfois nécessaires afin de nettoyer la surface des fibres, faciliter leur mouillage par la matrice, obtenir d’une liaison fibre/matrice de qualité et, dans certains cas, diminuer le caractère hydrophile. Un exemple typique est l’utilisation d’un agent silane (SiH4), qui permet une adhésion avec la matrice organique d’une part et la fibre d’autre part.

     
               Mécanisme de couplage entre un matériau organique et un autre inorganique     
  Figure 10- Mécanisme de couplage entre un matériau organique et un autre inorganique
[Université de Toulouse]
 
     

Sur la figure ci-dessus, la fibre est située à gauche. Ici, elle est inorganique car il s’agit d’une fibre de verre mais il pourrait s’agir d’une fibre cellulosique donc organique. Les deux types de fibres ont en réalité des propriétés de surface très similaires car elles ont toutes deux des groupements OH et sont hydrophiles : les traitements pour faciliter leur adhésion avec la matrice sont donc effectués dans les deux cas, avec des coûts similaires.

Une fois le mélange matrice-fibres effectué, les mêmes procédés servent à mettre en forme les composites à fibres synthétiques et ceux à fibres naturelles : l’extrusion le plus souvent, ainsi que le moulage par injection.

     
               Moulage par injection     
  Figure 11 - Moulage par injection [TIAG Industries]  
     

La fonction du composite obtenu peut varier selon sa nature. Deux exemples sont présentés ci-dessous : une platine de rétroviseur et une éolienne.

         
               Platine de rétroviseur injectée en PP/ fibres de chanvre      Eolienne composite renforcée par des fibres de lin  
  Figure 12 - Platine de rétroviseur injectée
en PP/ fibres de chanvre
[Techniques de l'Ingénieur]
  Figure 13 - Eolienne composite renforcée
par des fibres de lin
[Techniques de l'Ingénieur]
 
         

II-2-3 - Propriétés des fibres

            Surface d'un textile non-tissé cellulose/fibre de verre      
  Figure 14 - Surface d'un textile non-tissé
cellulose/fibre de verre [Cerig]
 

La figure ci-contre représentant un non-tissé cellulose/fibres de verre montre les dissemblances morphologiques des fibres naturelles et synthétiques. Les fibres de verre sont lisses et de diamètres homogènes tandis que les fibres cellulosiques ont une surface rugueuse et des diamètres et longueurs variables. Le liant présent sur les fibres cellulosiques permet de les solidifier entre elles : ces fibres sont donc traitées comme celles utilisées dans les biocomposites. Dans ce cas, les fibres de verre sont également traitées en surface. Ces caractéristiques physiques distinctes entraînent des propriétés mécaniques différentes.

     
               Propriétés de fibres naturelles et synthétiques     
  Tableau 2 - Propriétés de fibres naturelles et synthétiques
[Sources diverses]
 
     

Le tableau ci-dessus présente les propriétés moyennes de fibres végétales (chanvre, lin, coton, jute, cisal, ramie et coco), ainsi que les propriétés des fibres de verre et de carbone. NB : pour les fibres naturelles, ces valeurs moyennes doivent être relativisées étant donnée la dispersion des données initiales. Elles fournissent tout de même un ordre de grandeur permettant une comparaison approximative.

Les fibres cellulosiques ont une contrainte à la rupture d’environ 600 MPa contre 3300 MPa pour les fibres de verre : elles sont globalement moins résistantes à la traction. De même, leur module de Young moyen est d’environ 30 GPa contre 72 GPa : elles sont également moins rigides. Le choix de la plante annuelle utilisée est primordial car seules certaines essences ont des propriétés comparables à celles des fibres de verre. Par exemple, le lin a un module de Young maximal de 85 GPa et une contrainte à la rupture de 2000 MPa.

Les densités sont de 1,5 pour les fibres naturelles et de 2,5 pour les fibres synthétiques. Les fibres cellulosiques sont bien plus légères que les fibres de verre, un avantage précieux dans les secteurs automobile et aéronautique où l’allègement des matériaux est une priorité. Le calcul du rapport E/d donne un résultat de 19 GPa pour les fibres naturelles contre 28 GPa pour les fibres synthétiques : ce rapport est donc meilleur pour ces dernières mais les fibres naturelles peuvent les remplacer dans certains cas.

À noter : les fibres de carbone possèdent de bien meilleures propriétés que les deux types de fibres étudiés ici. Toutefois, étant plus onéreuses (environ 24€/kg), elles ne sont en aucun cas des concurrentes pour les fibres naturelles.

     
               Caractéristiques mécaniques de deux matériaux composites à matrice époxy     
  Tableau 3 - Caractéristiques mécaniques de deux matériaux composites à matrice époxy
[Wikipedia]
 
     

Le tableau ci-dessus présente les caractéristiques mécaniques de deux matériaux composites à matrice époxy, l’un renforcé par fibres de verre et l’autre par des fibres de lin. Celles du composite à base de fibres synthétiques sont meilleures, mais il faut remarquer que les propriétés du biocomposite s’en rapprochent lorsqu’on les ramène à la densité. La faible résistance à la compression du composite lin/époxy est due au microflambage des fibres.

II-2-4 - Économie

            Prix moyen (€/kg) de fibres cellulosiques      
  Tableau 4 - Prix moyen (€/kg)
de fibres cellulosiques
 

Le tableau ci-contre recense les prix au kilo de diverses fibres cellulosiques en 2015 ainsi que des fibres de verre et de carbone, par ordre décroissant. En comparaison, sont indiqués les prix des pâtes marchandes chimiques.

Le recours à des fibres naturelles implique un coût de matière première inférieur (-17% pour le lin), le procédé de mise en forme des fibres de verre est plus énergivore que celui des fibres cellulosiques. Toutefois, si le prix des fibres naturelles est globalement inférieur à celui des fibres de verre, soulignons qu'à caractéristiques égales, il est nécessaire d’utiliser davantage de fibres naturelles dans un biocomposite que dans un composite identique à base de fibres de verre. En effet, les propriétés mécaniques des fibres cellulosiques sont souvent moindres par rapport à celles des fibres de verre : cet ajout de matière première implique des coûts supplémentaires pour les biocomposites.

En revanche, les coûts relatifs aux procédés de mise en forme des biocomposites sont comparables à ceux des composites à base de fibres synthétiques. Fibres cellulosiques et fibres de verre sont hydrophiles et nécessitent des traitements de surface pour permettre leur dispersion dans la matrice. Les coûts de ces traitements sont équivalents bien qu'il faille traiter plus de surface pour les fibres naturelles introduites en plus grand nombre. Ce facteur n’influence guère le prix final du matériau.

Substituer des fibres naturelles aux fibres synthétiques est un choix intéressant sur le plan financier. Citons comme exemple le projet REFIVERT : mené à bien par l’équipementier automobile Trèves avec l’appui de l’Ademe, il vise à remplacer les fibres de verre par des fibres naturelles dans les pièces de structure automobiles. Après caractérisation de la matrice PP et des fibres de chanvre selon différents conditionnements, et comparaison avec les résultats obtenus avec les fibres de verre, il s'avère que les fibres naturelles représentent la meilleure option. Le composite choisi est finalement constitué de 10% de fibres de chanvre dans une matrice de PP recyclé. Ainsi l’Ademe peut-elle conclure : "Techniquement et économiquement la viabilité des Compounds PP/fibres de chanvre étant démontrée, des présentations des produits sont en cours auprès des constructeurs pour production de pièces de structure. […] Le projet entraînera une nette augmentation des volumes de production d'AFT Plasturgie et une meilleure compétitivité des produits Trèves".

     
                   
  Tableau 5 - Impact de la diminution de poids d’un kg d’un véhicule,
due à l’utilisation de fibres de chanvre, sur toute la durée de vie du véhicule
[ValBiom]
 
     

Le tableau ci-dessus présente l’impact de la réduction d'un kilo du poids du composite grâce aux fibres de chanvre, sur la vie d’un véhicule consommant 7 litres d’essence. Outre l'économie d’énergie, qui représente à la fois un gain financier et un impact écologique moindre, l'usage des fibres naturelles émet moins de gaz à effet de serre.

II-2-5 - Environnement

     
                   
  Tableau 6 - Indicateurs d’impact de la production d’un kilo
de fibres de chanvre et de verre [ValBiom]
 
     

La comparaison de l’impact environnemental de la production d’un kilo de fibres de chanvre et de celle d'un kilo de fibres de verre fait pencher la balance en faveur des fibres naturelles avec une consommation énergétique 15 fois moindre, 30 fois moins d’émission de CO2, ou encore 7 fois moins d’émission de SOx. Seule la demande chimique en oxygène est supérieure pour la fibre de chanvre (3,23 g vs 0,02g), la demande biologique en oxygène étant, quant à elle, toujours inférieure.

Les auteurs de l'"Analyse du cycle de vie d’un biocomposite" comparent les valorisations possibles d'un composite PLA/lin et d'un composite polyester/verre. La fabrication du premier nécessite moins d'énergie que la fabrication du second : il faut 11,7 MJ/kg pour produire des fibres de lin et 50 MJ/kg pour des fibres de verre. De même, 58,3 MJ/kg sont nécessaires pour produire du PLA, contre 123,3 MJ/kg pour la résine polyester.

En dernier lieu, la fin de vie du matériau varie selon sa nature. Pour un composite non biosourcé, les possibilités sont les suivantes :

Pour les biocomposites, notamment les biocomposites 'vert-vert', d’autres solutions sont applicables : digestion anaérobie (ou méthanisation) et compostage (procédé aérobie).

L'étude comparative aboutit aux conclusions suivantes :

Quel que soit le biocomposite, une voie de valorisation adaptée à sa nature existe, avec un impact écologique potentiellement moindre que pour un composite pétrosourcé. Néanmoins, les filières de recyclage et de valorisation sont en cours de structuration, en raison notamment de la variété des matrices utilisées. Par conséquent, la fin de vie du matériau n’est pas encore un argument décisif en faveur des biocomposites.

     
                   
  Tableau 7 - Récapitulatif des avantages et inconvénients des fibres naturelles
en tant que renforts des biocomposites
 
     

L'efficacité des fibres cellulosiques dans les matériaux composites n'égale pas toujours celle des fibres de verre. Toutefois, leur moindre impact environnemental et leur faible coût constituent des avantages incontestables qui leur permettront de remplacer les fibres synthétiques dans certaines applications peu techniques.

III - Analyse économique

Plan

III-1 - Acteurs du secteur

Cette étude se concentre sur les producteurs de fibres végétales (papetières) plutôt que sur les fabricants de composites car, généralement, ces derniers produisent des composites à base de fibres de verre et des composites à base de fibres végétales. De même, l’accent n'est pas mis sur les fabricants de matrices car ce sont les mêmes pour les composites pétrosourcés et biosourcés. Ils sont donc étudiés par le biais du diagramme de Porter mais ne sont pas un facteur de différenciation.

III-1-1 - Filière lin

             Produits et rendements obtenus suite à la première transformation des pailles de lin fibres, 2011      
  Figure 15 - Produits et rendements obtenus suite à la première transformation
des pailles de lin fibre, 2011 [Ademe]
 
     
               Valorisations actuelles et en devenir des fractions de lin fibre, 2011     
  Tableau 8 - Valorisations actuelles et en devenir des fractions de lin fibre, 2011 [Ademe]  
     

Le lin est la plante annuelle à usage industriel la plus répandue en France. Ses sous-produits, dont les étoupes et la filasse, sont utilisés dans les composites du secteur automobile ainsi que du bâtiment. L'autre débouché majeur est la papeterie.

 

 

 

III-1-2 - Filière chanvre

             Produits et rendements obtenus après la première transformation du chanvre, 2011      
  Figure 16 - Produits et rendements obtenus après
la première transformation du chanvre, 2011 [Ademe]
 
     
               Valorisations actuelles et en devenir des fractions de chanvre, 2011     
  Tableau 9 - Valorisations actuelles et en devenir des fractions de chanvre, 2011 [Ademe]  
     

Les fibres de chanvre constituent 29 à 32 % du poids de la paille et alimentent principalement trois industries : la papeterie, le bâtiment et l’automobile.

III-1-3 - Filière miscanthus

             Fractions végétales obtenues après récolte et/ou transformation du miscanthus      
  Figure 17 - Fractions végétales obtenues après récolte
et/ou transformation du miscanthus [Ademe]
 
     
               Valorisations actuelles et en devenir des fractions de miscanthus, 2011     
  Tableau 8 - Valorisations actuelles et en devenir des fractions de miscanthus, 2011 [Ademe]  
     

Le miscanthus est une plante à haut rendement agricole implantée en France dans l’objectif de la valoriser énergétiquement. Elle est employée sous forme d’isolants et de bétons dans le bâtiment et, sous forme de farine, dans les composites à matrice polymère pour l’automobile. Cette filière, plus jeune que celles du lin et du chanvre, est encore en structuration.

 

 

III-1-4 - Diagramme de Porter des biocomposites

  Cliquer sur l'image pour l'agrandir   
        Biocomposites - Diagramme de Porter  
  Figure 18 - Diagramme de Porter  

Le diagramme de Porter ci-contre met en lumière les interactions des acteurs et concurrents du secteur. Les entreprises citées comme exemples ne représentent pas le marché dans son ensemble. On remarque que les fabricants de matrices d’une part et de composites d’autre part sont présents à la fois sur les segments pétrosourcés et biosourcés : la concurrence est donc moindre au sein de ces filières qu’entre les producteurs de fibres qui sont des filières tout à fait séparées.

III-2 - Étude de marché

III-2-1 - Marché des composites

            Marché des composites réparti selon les applications      
  Figure 19 - Marché des composites réparti selon les applications  

L'industrie automobile est un client important sur le marché des composites de même que le bâtiment grâce aux WPC (bois composite) destinés à l’habillage et à l’isolation des façades, ainsi que d’autres applications d’extérieur telles que les terrasses.

III-2-2 - Marché des biocomposites

     
               Production française de fibres à usages textiles ou matériaux, 2011     
  Figure 20 - Production française de fibres à usages textiles ou matériaux, 2011 [Ademe]  
     

Le graphique ci-dessus met en évidence la prédominance des fibres de verre. Il montre également que les fibres de lin et de chanvre dominent la production des fibres végétales. Par ailleurs, la filière du miscanthus n'est pas négligeable en France mais est moins structurée : sa surface cultivée (2000 ha) est nettement inférieure à celles du lin (58 000 ha) et du chanvre (7700 ha).

Le marché relatif à notre problématique ne constitue pas l’intégralité du marché des biocomposites. En effet, l’utilisation des fibres naturelles en tant que renfort de matrice polymère est plus économique par rapport aux fibres de verre mais pas pour des composites utilisant des fibres à plus haute valeur ajoutée – fibres de carbone, nanofibrilles de cellulose – car alors leurs propriétés mécaniques ne sont pas comparables, même ramenées à leur densité.

     
               Répartition de la production mondiale de fibres végétales hors coton et bois 2001-2008     
  Figure 21 - Répartition de la production mondiale de fibres végétales
hors coton et bois 2001-2008 [Ademe]
 
     

Le marché des biocomposites se caractérise par la coopération avec les structures locales de production de fibres. Chaque région du monde peut ainsi mettre en valeur ses structures existantes et développer une économie de proximité. En Europe, le lin et le chanvre sont les plantes à fibres les plus disponibles et c’est majoritairement autour de ces deux filières que s'organisent les composites européens. Cette composante locale de la filière lui donne non seulement une stabilité de prix et un bilan carbone réduit (peu de transport), mais elle fait également de ce secteur en croissance un créateur d’emplois locaux.

           
  Tableau 9 - Impact environnemental comparatif des produits biosourcés,
par rapport à leurs équivalents pétrosourcés [Ademe]
 

Le tableau ci-contre, établi par l'Ademe d'après une étude menée en 2014, indique les "Valeurs médianes relatives aux impacts de la substitution de produits d'origine fossile ou minérale par des produits et matériaux biosourcés sur les émissions de gaz à effet de serre et la consommation d'énergie non renouvelable pour une sélection d'études".

37 produits, comme par exemple des panneaux à base de fibres de chanvre ou de kénaf, sont évalués du point de vue de leur influence sur le changement climatique. Cette étude met en évidence la réduction substantielle de l'impact environnemental des biocomposites par rapport aux composites renforcés par des fibres de verre.

III-2-3 - Biocomposites dans le secteur des matériaux et de la chimie biosourcée

                   
  Figure 22 - Potentiel de développement des produits biosourcés
selon le taux de pénétration du végétal et la taille globale des marchés adressés [Ademe]
 

Le graphique ci-contre présente la part actuelle de produits biosourcés dans les produits simples ou de première transformation. Il permet d’appréhender le niveau de maturité et le potentiel des différentes filières.

Les composites font partie des marchés de taille moyenne dépassant les 10 % de part de biosourcé et dont le taux de pénétration augmente fortement depuis une dizaine d’années. Les perspectives sont intéressantes dans des secteurs tels que les transports, le bâtiment, les sports et les loisirs.

     
                   
  Tableau 10 - Évolution du marché des composites entre 2005 et 2012 [Ademe]  
     

Les biocomposites représentaient 6 % des composites français en 2005, puis 10 % en 2012, leur volume passant de 5 kt à 29 kt, soit un taux de croissance annualisé sur cette période de 30 % contre 20 % pour le secteur global (de 85 kt à 300 kt). La part biosourcée de la croissance de ce secteur est d’ailleurs appelée à augmenter.

 

 

 

 

 

III-2-4 - Facteurs économiques de développement

     
               Leviers d’action et principales mesures pour soutenir le développement des matériaux et de la chimie biosourcés      
  Figure 23 - Leviers d’action et principales mesures pour soutenir
le développement des matériaux et de la chimie biosourcés [Ademe]
 
     

III-2-4 - Diagnostic stratégique : matrice SWOT

Forces Faiblesses
  • Matériaux biosourcés : bon argument marketing
  • Matière première abondante et renouvelable
  • Faible coût de production des fibres
  • Bilan carbone intéressant
  • Possibilités de recyclage
  • Légèreté des matériaux
  • Bionanocomposites
  • Propriétés mécaniques moins performantes par rapport aux fibres synthétiques
  • Fibres hydrophiles nécessitant un traitement de surface
  • Hygroscopie
  • Culture annuelle variable, gestion des stocks
  • Fibres anisotropes
  • Biodégradabilité
Opportunités Menaces
  • Demande industrielle de matériaux légers
  • Législation environnement favorable
  • Développement de l'éco-conception
  • Diminution des ressources pétrolières
  • Sensibilisation du grand public aux questions environnementales
  • Conflit d’usage des terres agricoles
  • Bioplastiques onéreux
  • Forte concurrence du plastique

Tableau 11 - Diagnostic stratégique via la matrice SWOT

IV - Perspectives

Plan

IV-1 - Un réel potentiel de croissance

Dans des études de marché réalisées ces dernières années, l'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Énergie (Ademe) envisage les évolutions plausibles du secteur des biocomposites, dépendant notamment de l’intensité de l’action publique. Néanmoins, les prédictions s’accordent sur une croissance importante à l'horizon 2030 comme l'indique le graphique ci-dessous. En 2015, parmi les secteurs biosourcés à très fort potentiel, les biocomposites figurent en tête avec, à l'horizon 2020, un taux de croissance annualisé de 17 % tant en consommation qu’en augmentation de parts de marché et un chiffre d’affaires évalué à 431M€ en 2030.

     
               Perspectives de développement à horizons 2020 et 2030 des produits biosourcés sur leurs marchés d'application       
  Figure 24 - Perspectives de développement à horizons 2020 et 2030
des produits biosourcés sur leurs marchés d'application [Ademe]
 
     

Toutefois, le développement de la filière sera accéléré selon la qualité de l’implication des industriels et aussi des pouvoirs publics. D'ici 2030, quatre scénarios sont envisagés :

     
                   
  Figure 25 - Positionnement des quatre scénarios d'ici à 2030 selon deux axes :
action publique et citoyenne, et dimension industrielle des marchés
[Ademe]
 
     

L'Ademe estime l'évolution des tonnages de biocomposites produits à partir des hypothèses suivantes :

     
                   
  Tableau 12 - Perspectives d'évolution des tonnages (kt) à horizons 2020 et 2030
[Ademe]
 
     

IV-2 - Scénarios à horizon 2030

Dans les scénarios envisagés par l'Ademe, l’hypothèse d’augmentation du prix du pétrole ne tient pas un grand rôle : le maintien de la tendance basse des prix des hydrocarbures fossiles est considéré, étant donné le développement actuel des gaz et pétroles de schistes.

IV-3-1 - Scénario 1 - Bioéconomie : actions publiques et industrielles conjointes

Les biocomposites dominent le marché.

Hypothèses

Probabilité de réalisation : 65 %

Il est à noter que même dans ce scénario de croissance très forte, la surface agricole utile française employée pour produire les fibres dédiés aux matériaux biosourcés ne dépasserait pas 2,6 %, ce qui relativise la compétition pour les terres agricoles.

IV-3-2 - Scénario 2 - Soutien des pouvoirs publics et des citoyens

Les préoccupations environnementales et sociétales impliquent une bonne croissance des biocomposites.

Hypothèses

Probabilité de réalisation : 55 %

IV-3-3 - Scénario 3 - Investissements industriels sans réelles actions publiques

Hypothèses

Probabilité de réalisation : 45 %

IV-3-4 - Scénario 4 - Domination du fossile, la biomasse en complément

Hypothèses

Probabilité de réalisation : 25 %

V - Conclusion

Plan

Cette étude a tenté de répondre aux questions suivantes : quelle est la part de l’utilisation des fibres papetières dans le marché des biocomposites ? Quelles sont leurs caractéristiques en comparaison avec d’autres fibres (verre) ? Quelles évolutions de ce marché peut-on envisager ?

Le marché des biocomposites intégrant des fibres papetières est réel et en constant développement. L'abondance et la diversité des fibres cellulosiques offertes par la nature et aisément accessibles, leurs propriétés intéressantes, la facilité de leur mise en forme ainsi que leur faible coût sont autant de paramètres qui justifient cette croissance.

Aujourd’hui, pour les industriels qui fabriquent des composites, passer des fibres synthétiques aux fibres papetières semble être un choix économiquement viable, en accord avec les valeurs d’éco-conception émergentes. En effet, les caractéristiques des fibres cellulosiques, bien que souvent inférieures à celles des fibres de verre, sont tout à fait compatibles avec les propriétés mécaniques attendues d’un matériau composite. En outre, les fibres naturelles permettent un gain financier grâce à la réduction des coûts de matière première. Enfin, la valorisation des biocomposites en fin de vie a un moindre impact sur l’environnement.

Les biocomposites à base de fibres végétales papetières s’affirment donc comme un secteur d’avenir à croissance rapide par rapport à l’ensemble des matériaux composites, mais également par rapport aux autres secteurs biosourcés des matériaux et de la chimie. Les filières de matières premières (fibres et matrices) sont à présent structurées, le verrou principal reste l’investissement des industriels et, dans une moindre mesure, le renforcement du cadre législatif. Une action concrète sur ces leviers dans les années à venir permettrait d’accélérer leur développement.

VVI - Bibliographie - Webographie

Plan

BALEY C.   Fibres de lin pour renforcer des polymères. Spécificités.   Limatb / Université de Bretagne Sud, Nancy, 26 novembre 2013
Consulter
BOURGEOIS M.   Fibres agrosourcées.   Techniques de l’Ingénieur, 11 avril 2011
Consulter
ZAFEIROPOULOS N.E.   Interface engineering of natural fibre composites for maximum performance.   1st edition. Woodhead Publishing, 2011, 428 p.
Consulter
DUFRESNE A.   Biocomposites.   Cours, Grenoble INP-Pagora, 2015
COSTE G.   Les non-tissés.   Cerig, Grenoble INP-Pagora, 2004
Consulter
    Glossaire des matériaux composites renforcés de fibres d’origine renouvelable.   C.A.R.M.A., décembre 2006
Consulter
BALEY C.   Fibres naturelles de renfort pour matériaux composites.   Techniques de l’Ingénieur, 10 janvier 2013
Consulter
    Fibres du futur.   FAO
Consulter
WILLIAMSON M.   The age of superfibres approaches.   Bio-fibre Magazine, n°97, novembre 2015, p.8-10
Consulter
    Les marchés des papiers et cartons.   Pap’Argus, n°321, février 2016, p.12.
    Observation de la situation mondiale du lin.   FranceAgriMer, 14 mars 2013
Consulter
  REFIVERT - Remplacement des fibres de verre par des fibres naturelles dans les pièces de structure automobiles. Ademe
Consulter
WERTZ J.L., RICHEL A.   Les biocomposites et composites polymère-chanvre en particulier.   ValBiom, juillet 2014
Consulter
LE DUIGOU A., DAVIES P., BALEY C.   Analyse du cycle de vie d’un biocomposite.   Matériaux & Techniques, 2010, vol.98, n°2, p.143-150
Consulter
MARTOIA F., SAMPSOEN B.   Recyclage des biocomposites, point clef ou propriété secondaire ?   Cerig, Grenoble INP-Pagora, 2012
Consulter
MEIRHAEGHE C., BEWA H.   Évaluation de la disponibilité et de l’accessibilité de fibres végétales à usages matériaux en France.   Ademe, mars 2011
Consulter
    Étude sur le secteur et les filières de production des matériaux et produits bio-sourcés utilisés dans la construction (à l'exception du bois).   Nomadéis, août 2012
Consulter
    Soutenir le développement des produits biosourcés.   Ademe & Vous - La lettre Stratégie, n°47, mars 2016
Consulter
    Marchés actuels des produits biosourcés et évolutions à horizons 2020 et 2030.   Ademe, janvier 2015
Consulter
EDER A., CARUS M.   Global trends in wood-plastic composites (WPC).   Bioplastics Magazine, avril 2013, vol.8, p.16-17
Consulter
CARUS M., PARTANEN A.   Biocomposites in the automotive industry.   Bioplastics Magazine, janvier 2016, vol.11, p.16-17
Consulter
DAMMER L., CARUS M., RASCHKA A., SCHOLZ L.   Market developments of and opportunities for biobased products and chemicals.   nova-Institute for Ecology and Innovation, décembre 2013
Consulter
SAYSOUK F.    Elaboration et caractérisation de films polyimide/nitrure de bore nanocomposites pour l’isolation électrique à haute température.   Thèse, Université de Toulouse, 24 mars 2014
Consulter 
     
  Mémoire précédent
Précédent
Liste des mémoires
Liste
Page technique
Thèmes
Mémoire suivant
Suivant
 
Accueil | Technique | Liens | Actualités | Formation | Emploi | Forums | Base
Copyright © Cerig/Grenoble INP-Pagora
     
Mise en page : A. Pandolfi