Bioplastiques – l’avenir de l’industrie des plastiques

Sans les plastiques modernes, un développement aussi important dans les secteurs de l’automobile, de l’aérospatiale et de la médecine serait impossible. La plupart des plastiques sont issus de la transformation d’une matière première non renouvelable – le pétrole brut – et ne sont pas biodégradables, ce qui constitue leur principal inconvénient. À l’échelle mondiale, l’exploitation continue du pétrole brut conduit directement à l’épuisement de ses ressources. Il s’agit d’un problème majeur, bien que moins perceptible actuellement que celui de la quantité de déchets générés par l’utilisation des plastiques . Il faut savoir que leur temps de décomposition dans le milieu naturel peut atteindre plusieurs générations.

Problème de déchets : quelles sont les statistiques ?

Des études indiquent que 75 %des plastiques mis sur le marché depuis le début de leur production sont déjà devenus des déchets. Cela représente 6,3 milliards de tonnes , dont moins de 10 %ont été recyclées et 12 %ont fait l’objet d’une valorisation énergétique. Cela signifie qu’environ 5 milliards de tonnes de plastique sont collectées dans des décharges , mais aussi jetées dans les forêts, les eaux, les plages et les décharges illégales du monde entier. Ce sont les déchets présents dans le milieu marin qui ont le plus grand impact sur l’environnement naturel et l’homme. Actuellement, le principal problème concerne les déchets municipaux, notamment les emballages à usage unique . Bien qu’ils représentent environ 8 %du poids total des déchets, leur faible poids spécifique en représente près de 30 %. Ce groupe comprend principalement les bouteilles en polyéthylène téréphtalate (PET) et les sacs de courses, les sacs de petit-déjeuner ou les emballages en aluminium en polyéthylène (PE) ou en polypropylène (PP) . Le plus grand destinataire d’emballages est l’ industrie alimentaire , qui consomme environ 60 %de tous les emballages.

Une alternative écologique : les bioplastiques

Face au problème croissant de la gestion des déchets plastiques, des recherches sont menées pour développer de nouveaux matériaux polymères biodégradables , communément appelés bioplastiques . Ces matériaux devraient présenter des propriétés utiles comparables à celles obtenues par les méthodes conventionnelles. Ils sont obtenus à l’échelle industrielle à partir de matières premières renouvelables et pétrochimiques. Comparés aux plastiques traditionnels produits à partir de sources fossiles, les bioplastiques présentent de nombreux avantages. Tout d’abord, ils permettent d’économiser des matières premières grâce à l’utilisation de biomasse renouvelable. De plus, leur production et leur utilisation sont neutres en carbone, ce qui signifie que leur transformation ne contribue pas à la production de dioxyde de carbone. De plus, certains types de bioplastiques sont biodégradables.

Quels sont les types de bioplastiques ?

Les bioplastiques peuvent être divisés en trois groupes en fonction de la source d’origine et de la biodégradabilité :

• les plastiques dérivés de matières premières renouvelables , mais non biodégradables – par exemple le polyamide (PA), le polyéthylène téréphtalate (PET),

• plastiques biodégradables , mais non issus de matières premières renouvelables – par exemple le 1,4-butylène 1,4-butylène 1,4-butadiène téréphtalate (PBAT) ou le polycaprolactone (PCL),

• matériaux biosourcés issus de matières premières renouvelables (polymères biodégradables), biodégradables – par exemple le polylactide, c’est-à-dire un matériau à base d’acide polylactique (PLA), le polyglycolide à base d’acide glycolique (PGA) ou l’amidon modifié.

Parmi les matériaux mentionnés ci-dessus, le PLA (polylactide) domine, représentant environ 40 %de tous les polymères biodégradables. On l’appelle souvent « double vert » car il est à la fois biodégradable et issu de matières premières renouvelables. Le polylactide est un polymère aux propriétés similaires à celles du polystyrène, à la fois rigide et cassant. Il se caractérise par une température de transition vitreuse d’environ 57 °C et un point de fusion compris entre 170 et 180 °C. Il possède également une bonne résistance mécanique (module de résistance de 60 MPa).

Où sont utilisés des matériaux biodégradables d’origine biologique ?

Un groupe de plastiques biosourcés à base de polymères biodégradables trouve des applications dans deux domaines. Le premier est une branche hautement spécialisée de la médecine et de l’ingénierie tissulaire , où ce type de plastique est utilisé pour produire des éléments tels que des fils chirurgicaux biorésorbables, des appareils orthodontiques, des clips, des implants, des capsules pour le dosage contrôlé de médicaments, etc. Le second domaine est lié à la production en série d’emballages, de films pour produits alimentaires, de films pour thermoformage, de sacs poubelles, de barquettes, de gobelets, de bouteilles, de couverts, de films pour le jardin, de produits jetables, d’éléments de décoration intérieure, de matériaux de couchage pour papier et d’impression. Le remplacement des emballages fabriqués à partir de plastiques conventionnels par des substituts biodégradables s’inscrit dans la tendance du développement durable et de la réduction des déchets.

Inconvénients des bioplastiques

Malgré leurs nombreux avantages, les matériaux polymères biodégradables présentent également des inconvénients qui limitent leur utilisation généralisée. De ce fait, ils restent inférieurs à leurs homologues non biodégradables dans de nombreux domaines. Tout d’abord, les bioplastiques biodégradables sont plus chers que ceux actuellement disponibles sur le marché, même si leur prix est en constante baisse . On prévoit que dans les années à venir, leur prix pourrait égaler celui des matériaux polymères classiques d’origine pétrochimique. Nombre d’entre eux présentent également des propriétés mécaniques inférieures aux matériaux conventionnels, notamment une fragilité ou une rigidité excessives, ou une résistance à la traction trop faible. L’utilisation fréquente de ces matériaux pour la production d’emballages alimentaires exige également des propriétés barrières appropriées. Ils sont importants en raison de leur perméabilité à l’oxygène, au dioxyde de carbone et à la vapeur d’eau, qui peut altérer le produit emballé. De plus, en raison de leur sensibilité à la chaleur, à l’humidité et aux contraintes de cisaillement, les polymères biodégradables sont plus exigeants lors de leur fabrication que leurs homologues non biodégradables. De ce fait, les bioplastiques peuvent être partiellement dégradés dès leur transformation. Les inconvénients mentionnés des matériaux polymères biodégradables justifient des recherches visant à améliorer leurs propriétés ou à limiter leurs caractéristiques fonctionnelles défavorables.

Additifs modifiant les propriétés des plastiques biodégradables

Les bioplastiques contiennent, outre les polymères , d’autres matériaux et additifs qui, ensemble, déterminent les possibilités de transformation et les caractéristiques du produit final. Il peut s’agir d’additifs utilisés pour stabiliser les matériaux, de pigments, de charges diverses ou d’additifs plastifiants . Bien que les additifs plastifiants ne représentent qu’un faible pourcentage de tous les composants du plastique, il est essentiel pour les plastiques biodégradables qu’ils soient tous également biodégradables. Les additifs introduits lors de la transformation ne modifient pas la structure du biopolymère, mais réagissent uniquement avec elle. Cela modifie les propriétés physico-chimiques des matériaux, conférant aux produits les propriétés d’utilisation requises. Parallèlement au développement dynamique des bioplastiques destinés aux emballages spécialisés, il existe un besoin croissant d’additifs plastifiants compatibles avec les polymères biodégradables et conférant aux plastiques les propriétés souhaitées.

Nouveau projet biologique au sein du groupe PCC

Grâce au travail conjoint des départements de recherche de PCC MCAA et PCC Exol, une nouvelle gamme de produits est en cours de développement dans le cadre du projet CITREX. Il s’agit de plastifiants destinés aux emballages spécialisés, aux films et aux stratifiés alimentaires , mais également potentiellement utilisés dans la production de jouets. Le développement de produits répondant aux exigences du marché tout en étant innovants constitue un enjeu majeur de la recherche. La synthèse de ces produits et leur application nécessitent une connaissance approfondie de nombreux aspects, notamment de la voie de synthèse, des méthodes d’analyse, des applications possibles et des informations sur les consommateurs et les concurrents sur le marché cible. Par conséquent, l’objectif principal du projet n’est pas seulement de développer des additifs plastifiants, mais surtout d’en connaître les propriétés et les applications.

En savoir plus sur les additifs polymères.

Exigences relatives aux plastifiants pour les bioplastiques

Les critères clés à respecter par les additifs plastifiants dédiés aux polymères biodégradables sont :

• aucune migration de plastifiant à partir des bioplastiques sous l’influence de températures élevées et du temps de stockage

La réduction de la migration des additifs plastiques est un aspect essentiel du développement de leurs structures. Le phénomène de migration peut être défini familièrement comme une « fuite » de plastifiant plastique. Dans le cas d’un produit fini, il peut entraîner la perte des propriétés du matériau et une détérioration de son esthétique : décoloration ou déformation du produit.

En pratique, la migration peut être limitée en ajustant le poids moléculaire approprié du plastifiant (sa masse) et en modifiant sa structure chimique vers une structure plus ramifiée ou linéaire.

• biodégradabilité

L’additif plastifiant ajouté au bioplastique doit répondre au critère de biodégradabilité. Cela signifie qu’il doit se décomposer naturellement, par exemple par compostage, sans formation de substances nocives. L’utilisation de matières premières d’origine naturelle, telles que les acides carboxyliques et autres matières premières biodégradables en synthèse chimique, est un moyen d’accroître la biodégradabilité des produits.

Les critères décrits ci-dessus concernent à la fois la modification de la structure chimique et la sélection des matières premières utilisées, tout en maintenant le poids moléculaire approprié du composé synthétisé. Leur respect représente un défi de recherche majeur, tant pour la conception d’additifs plastifiants appropriés que pour leur synthèse. Par conséquent, la mise en œuvre du projet nécessite de nombreux essais en laboratoire afin d’obtenir des composés de qualité et de structure reproductibles.

Innovation des produits en développement

L’attrait du nouveau produit sur le marché réside également dans son caractère innovant . Les additifs plastifiants développés dans le cadre du projet CITREX se caractérisent par une combinaison innovante de bioacides carboxyliques naturels (acides ambré et citrique), de polyols produits par PCC Rokita et d’alcool laurylique utilisé dans les produits cosmétiques, et sont donc non toxiques. De plus, les produits fabriqués présentent une masse moléculaire strictement définie, destinée à limiter la migration des additifs depuis le produit final. L’objectif principal de la conception de nouvelles structures moléculaires était de créer une molécule capable d’interagir avec le biopolymère contenu dans les bioplastiques (selon le principe « le semblable attire le semblable »), ce qui a également un impact sur la réduction du processus de migration et contribuera à satisfaire aux exigences relatives aux additifs plastifiants. L’obtention d’un échantillon de laboratoire du produit constitue la première étape préliminaire des recherches menées dans le cadre du projet CITREX. Elle marque également le début de l’étape suivante, qui consiste à tester les propriétés d’application des produits concernés. Un examen approfondi des propriétés de ces produits constitue la base de la sélection des applications ciblées.

L’avenir du marché des bioplastiques

Le marché des bioplastiques et des bioadditifs est un marché prometteur et en pleine croissance, particulièrement marqué ces derniers temps. Cela s’explique notamment par la sensibilisation croissante des consommateurs à l’ impact négatif du plastique sur l’environnement. Conscients de l’impact environnemental des plastiques, les consommateurs se tournent de plus en plus vers des substituts écologiques aux emballages et aux produits jetables en plastiques conventionnels. Par conséquent, la demande pour divers articles en bioplastiques, tels que les contenants ou les couverts en PLA, ne cesse de croître.