Colloque québécois sur les bioplastiques – La plasturgie et les matériaux biosourcés

Institut des matériaux industriels

Nathalie Legros, Nathalie Chapleau et Hongbo Li2 juin 2011, Colloque québécois sur les bioplastiques compostables, Sherbrooke

La plasturgie et les matériauxbiosourcés

Institut des matériaux industriel


Contenu

• Le CNRC et les bioplastiques

• De l’amidon aux mélanges à base d’amidon thermoplastique

• La mise en forme et les propriétés

• Les applications et produits commerciaux

• Un parallèle avec d’autres plastiques biosourcés


Conseil national de recherches Canada

Instituts

• Principal organisme canadien en S&T qui rassemble une combinaison unique de programmes, d’expertise et d’équipements

• Le CNRC joue un rôle de premier plan dans le développement d'une économie innovatrice et fondée sur la connaissance

• 20 instituts de recherche à travers le Canada• 4,000 + employés 1,200 chercheurs invités• 800$M budget 100$M revenu

• Principal organisme canadien en S&T qui rassemble une combinaison unique de programmes, d’expertise et d’équipements

• Le CNRC joue un rôle de premier plan dans le développement d'une économie innovatrice et fondée sur la connaissance

• 20 instituts de recherche à travers le Canada• 4,000 + employés 1,200 chercheurs invités• 800$M budget 100$M revenu

R&D multidisciplinaire unique et solutions scientifiqueset technologiques intégrées


Les bioproduits au CNRC: Un réseau important

Sciences physiques• Institut Herzberg d'astrophysique • Institut des étalons nationaux de mesure• Institut de technologie de l'information • Institut des sciences des microstructures • Institut de technologie des procédés chimiques et de l'environnement

• Institut national de nanotechnologie• Institut Steacie des sciences moléculaires

Sciences de la vie• Institut de recherche en biotechnologie• Institut des sciences nutritionnelles et de la santé• Institut du biodiagnostic• Institut des sciences biologiques • Institut des biosciences marines • Institut de biotechnologie des plantes

Génie• Centre de technologie des transports de surface

• Institut des matériaux industriels • Institut de recherche aérospatiale • Institut d'innovation en piles à combustible • Institut des technologies océaniques • Institut de recherche en construction

Soutien technologique et industriel• Programme d'aide à la recherche industrielle• Institut canadien de l'information scientifique et technique

Programme national (initiative horizontale)• Initiative en génomique et en santé • Programme national sur les bioproduits


CTA- Saguenay, QC

IMI – Boucherville, QC

CMFA – London, ON

L’IMI-CNRC opère 4 sites à travers le Canada, chacun ayant une combinaison unique d’expertise et d’équipements

permettant d’entreprendre de la R-D stratégique en technologie des matériaux pour une économie durable et

pour les priorités nationales

Partenaires et clients : 200

Entreprises en incubation : 22

Employés : 250

Travailleurs invités : 200/année

Visiteurs : 10,000/année

L’institut des matériaux industriels en bref

Centre d'excellence en composites Magna-CNRC – Concord, ON


Bioproduits polymères

• Développement de polymères et composites provenant de ressources renouvelables

• Synthèse de polymères (amidon, lignine, huile..)• Formulation de systèmes de polymères et leur mise en forme (extrusion,

moulage, compression, thermoformage, pellicules, étirage biaxial…)- Bioplastiques et mélanges- Composites à fibres naturelles (bois, lin, chanvre, triticale…) - Nanocomposites

• Compréhension des relations entre mise en forme – microstructure – performance

• Travaux sur les thermoplastiques et thermodurcissables • Secteurs d’application: emballage, agriculture, produits de

commodité, transport, construction, aéronautique.


Les polymères biodégradables

Issus de la biomasse

Issus demicro-organismes:

obtenus par extraction

Issus de biotechnologie: synthèse à partir de

monomères renouvelables

Issus de synthèse:pétrochimie

CelluloseAmidonLignineChitineCaséine

CollagèneGlutenetc…

PHB, PHBV(Polyhydroxyalkanoates)

PLA(Acide polylactique)

PCL(Polycaprolactone)

Bio-polyesters

POLYMÈRES BIODÉGRADABLES


20 - 25% amylose

75 - 80% amylopectine

Pourquoi fabriquer un plastique à partir d’amidon?• L’amidon est un biopolymère par nature, renouvelable, obtenu d’une

grande variété de cultures:- AN et EU: blé, triticale, maïs, pomme de terre, pois- AS: canne à sucre, racine de manioc- Asie: riz

• Biodégradable, peu coûteux et très abondant dans le monde

• L’amidon peut être plastifié et déstructuré par extrusion (T, ajout de plastifiants et cisaillement)

Amidon thermoplastique (TPS): Comportement et mise en forme similaires aux plastiques conventionnels

Polysaccharide naturelle


L’amidon de triticale pour le TPS

• Triticale- Hybride du blé et du seigle, espèce résistante aux maladies et

adaptée au sols pauvres - Plante non-alimentaire au Canada, destinée à la bioraffinerie

• Amidon de triticale- Propriétés comparables aux autres sources tel que le maïs et le blé- Grade d’amidon qui n’est pas en compétition avec la chaine

alimentaire

Triticale: plante industrielle au Canada


Mise en oeuvre du TPS et des mélanges

• Précédé d’extrusion réactive utilisé pour la transformation de l’amidon sous forme de poudre en TPS:- Technologie utilisant des équipements usuels

d’extrusion- Mise à l’échelle facile pour une production industrielle- Peut-être utilisé avec différentes sources d’amidon

• Le TPS est le + souvent mélangé à un 2ème polymère pour contrôler l’hygroscopie du matériau et ajuster les propriétés requises:

- Plastique biodégradable (PLA, PHA…) matériel compostable- Issu du pétrole réduction des coûts, ajout d’un contenu vert- Le tout en une seule étape de malaxage


Développement des nouveaux matériaux

Matriceplastique

Phase disperséed’amidon thermoplastique

(TPS)

Issue du pétrole

Polyéthylène (PE)Polypropylène (PP)Polystyrène (PS)

EVOHPolycaprolactone (PCL)

Bioplastique

Acide polylactique (PLA)Polyhydroxybutyrate (PHB)

Défis: Domaines dispersés uniformément Domaines de même taille, même forme Bonne adhésion à l’interface


Mélanges bioplastiques TPS-PLA

27%TPS dans TPS-PLA 60%TPS dans TPS-PLA

Une seule étape d’extrusion pour obtenir un mélange de bioplastiques montrant une bonne morphologie

Pas

de c

ompa

tibili

satio

nC

ompa

tibili

satio

n

TPS Content (wt %)0 20 40 60 80

Elon

gatio

n at

bre

ak (%

)

0

100

200

300

After Compatibilization

No Compatibilization


67% TPS/PLA

33% TPS/PLAcompatibilisé

33% TPS/PLA

• Bonne qualité de surface et propriétés mécaniques des feuilles de PLA/TPS (même à 67% TPS) permettent un post étirage biaxial ou thermoformage

• Emballages rigides compostables (contenants alimentaires ou autres)

Mélanges TPS-PLA: extrusion de feuilles

33% TPS/PLA


Mélanges TPS-PLA: fabrication de pellicule

10 µm

• Bonne dispersion du TPS (33% TPS)• Amélioration du ‘’melt strength’’ pour fabrication de

pellicule• Emballages souples, films agriculture…

compostables

Contrôle de la viscosité du

mélange


Mélanges TPS-PS: extrusion de feuilles de mousse

Mousse PS conventionnelle

Mousse TPS-PS

Extrudeuse bi-vis 50 mm

• Feuilles de mousse de TPS-PS à cellules fermées et densité de mousse comparable au PS

• Emballages rigides de mousse, PLA-TPS en développement


Comparaison des propriétésmécaniques

Matériau Module (MPa)Élongation

à la rupture (%)

PEpolyéthylène 800 500

PSpolystyrène 3000 2

PLA 2800 3

TPS/PLA 1000 175

TPS/PCL 180 900

PHB 4000 5

Contrôle de la performance

mécanique par l’ajout de TPS


Films 100% TPS solubles dans l’eau

t=0

t=12hr Film à base d’amidon conventionnel

t=12hrFilm à base d’amidon modifié soluble dans l’eau

Grand potentiel pour les applications pharmaceutique et hygiénique


Les temps de dégradation

Matériau Temps de dégradation

Canette en aluminium 50 ans

Gomme à mâcher 5 ans

Papier 2 à 5 mois

Bouteille en plastique 400 à 450 ans

Bouteille en PLA moins de 6 mois*

Sac en amidon 3 semaines à 2 mois*

Ordre de grandeur seulement!


Produits à base d’amidonthermoplastique

Applications commerciales ou potentiels:

• Emballages souples: sacs d’épicerie, T-Shirt, emballages industriels, paillis et films agricoles…

• Emballages rigides: • Contenants thermoformés (moussés ou non): bols,

verres (breuvages froids), articles alimentaires • Pièces moulées: ustensiles, contenants jetables...• Expansé: barquettes, plateaux, matériel de

bourrage pour emballage,…• Articles en plastiques: botanique (pot de repiquage),

produits pour les industries pharmaceutiques et hygiène


L’amidon plastifié en bref…• L’amidon thermoplastique est un bioplastique provenant de ressources

renouvelables qui peut être:• Utilisé seul• Incorporé à d’autres bioplastiques:- Possibilité de moduler les propriétés mécaniques, barrières,

hygroscopiques- Potentiel de moduler le temps de dégradation (compostage)- Réduire les coûts

• Incorporé à des pastiques issus du pétrole:- Améliorer le développement durable par l’ajout d’un contenant ‘’vert’’- Contrôler les coûts de matières premières

• Facilement utilisable sur des équipements conventionnels de plasturgie (extrusion, injection, moulage ...)

• Matériaux commerciaux à base d’amidon : Mater-Bi (Novamont, Italie), Biotec(Sphere, France), Plantic (Plantic, Australie), Biolice (Limagrain, France) début phase de production, Solanyl (Rodenburg, Pays Bas), Earth Shell (États-Unis)


Les bioplastiques…valorisation de résidus

• Le développement de bioplastiques à partir dela lignine- La biomasse la + abondante après la cellulose,

intéressante pour les bioplastiques- Un résidu de l’industrie des pâtes et papier à valoriser- Une structure chimique très complexe, inhomogène- Des applications différentes mais complémentaires

• Le développement de bioplastiques à partir de résidus provenant de la conversion des algues en bioéthanol

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