Quid des plastiques et composites bio-sourcés dans l’automobile …data.over-blog-kiwi.com/0/46/09/90/201310/ob_f57281_nae... · 2013-10-18 · Laurent Cauret NAE / nov&atech

Laurent Cauret NAE / nov&atech / movéo / Polymers technologies : 10 oct 2013 1 / 50

Laurent CAURET [email protected]

ISPA – Recherche et Documentation

L. Cauret, A. Balquet, D. Barbier , Awa Doumbia, T. Falher,

C Gondard, D. Jouannet,S. Rabeau

Quid des plastiques et composites

bio-sourcés dans l’automobile et

l’aéronautique ?

mailto:[email protected]


Généralités sur les bioplastiques 2

Quelques données économiques 3

Les matières plastiques bio-sourcées les plus courantes 4

Présentation de l’ISPA 1

Exemples d’application 5

Conclusions 6




Processing Workshops

Headquarter

Amphitheater

R & D Center

Laboratories

R & D Processing

Compounding

schoolroom


Headquarters

Hall Documentation Center

Amphitheater


Procédés et moyens de mise en œuvre


Procédés et moyens de mise en œuvre


Le laboratoire R&D

DSC TF-IR Fluo-X

Tensile test

Impact test

Extraction







Conclusions 6


Qu’est-ce qu’un bioplastique?

Bioplastique : Néologisme utilisé par les industriels*

* Rapport du CNE Oct 2009 – Emballages compostables & matériaux

plastiques dits "biodégradables" issus de resssources renouvelables

2 notions distinctes

Origine de la ressource

Gestion de fin de vie

Renouvelable = bio-sourcé

Non renouvelable = fossile

Caractère biodégradable / compostable


Bioplastiques

Ressources pétrolières & biodégradables

Matériaux polymères

Bio-sourcés & biodégradable ou non biodégradable

Polymères

extraits de la Biomasse

Polysaccharides,

Amidon, … PHA, PHBV, …

Polymères produits

par des microorganismes

Monomères

Bio-sourcés

PLA, PA-11, PE vert, …

PCL, PBS, PBAT


-Polyesters Synthétiques

PCL, PBS, PBAT

- BASF, Mitsubishi,

- Poly(alcool vinylique)

Principaux acteurs industriels

Bioplastiques

Bio-sourcés et

biodégradables Bio-sourcés

non biodégradables

Ressources pétrolières

et biodégradables

-Poly(lactide) PLA

-NatureWorks, Fkur, Hisun

Total-Galactic, Mitsui,

-Matériau base amidon

-Novamont, Plantic, Sphere-

Biotec, Cereplast,

-Compounds / blends PLA

-BASF, FKUR, Biomer

-Poly(hydroxyalcanoate) PHA

-Telles, Kaneka, Biomer,

Tianan.

-Matériau base cellulose

-Innovia, Eastman, Rotuba,

Tecnaro,

-PTT à base Bio-PDO

-DuPont

-PE, PP filière Bioéthanol

-Braskem, DOW,

-PVC filière Bioéthanol

-Solvay,

-Poly(amide) PA-6,10 / PA-11 /

PA-6,6,9

-Arkema, BASF, Toray


Les exigences de la norme :

Taux de décomposition

à atteindre : 90% en

moins de 6 mois,

H2O, CO2, et/ou CH4

Absence métaux lourds

Compost de qualité

Un matériau est dit « biodégradable », s’il est

dégradé par des microorganismes.

NF EN 13432 : 2000 « Caractérisation des emballages valorisables par compostage et biodégradation »

Biodégradabilité Désintégration Qualité compost

Fraction de résidus non

désintégrés (taille

supérieure à 2 mm)

après 3 mois en

présence de déchets

organiques : moins de

10% de la masse

initiale


15

Quels labels?

Finlande

EN 13 432 (Jätelaitosyshdistys)

France

NF Environnement

(AFNOR)

Japon

Green PLA

(Japan BioPlastics Association)

U.S.A

ASTM D6400 (Biodegradable Products

Institute)

DIN V 54 900 (DIN Certco)

Allemagne

EN 13 432 (AIB Vinçotte)

Belgique

Bioplastique Concours Cereplast, 2011


Qu’est-ce qu’un composite ?

Composite

Thermoplastique

Composite

Thermodurcissable

- Gaialène – PP + amidon

- PP/PE – EPR

- WPC (Wood Plastic Composite)

à matrice PP, PVC, PE

- Polymère + fibre (lin, chanvre,

sisal, bambou,…)

-…..

- Résine époxy + charge

- Résine Phénoliques et

formophénolique + charge

-Polyester insaturé + charge

-Phénoplaste + charge

-Polyuréthane + charge

-BMC (polyester + fibre)

-SMS (polyester + CaCO3)

C’est un mélange : de 2 polymères

: polymères + charge (minérale, fibre, …)

« Matériau constitué d’au moins deux phases non miscibles l’une dans l’autre

Matériau solide constitué d’au moins deux composants dont les propriétés

résultent de leur synergie »







Conclusions 6


Production mondiale

« En 2010, la capacité annuelle mondiale de production de

résines bio-sourcées est de 0,72 millions de tonnes, soit 0,3% de

la production mondiale de plastiques. Cette capacité pourrait

atteindre 1,6 millions de tonnes d’ici 3 ans dans des conditions de

marché favorables. »

Source « Usage des résines biosourcées : quels développements en France, dans l’Union Européenne et le

Monde » Rapport ALCIMED-ADEME Janvier 2011


Capacités de production mondiales de résines bio-sourcées

Source « Usage des résines biosourcées : quels développements en France, dans l’Union Européenne et le

Monde » Rapport ALCIMED-ADEME Janvier 2011


Répartition mondiale de la production de fibres naturelle


Acteurs contribuant à l’évolution potentielle des capacités

de résines bio-sourcées 2010 et 2013

Données ALCIMED-ADEME 2011

USA : 65%

UE : 25%

Autres 10%


Capacités de production mondiales actuelles (2010) et

prospectives (2013) de résines bio-sourcées


20 2562

298

75

200

43

723

20 2562

423

232,5

660

181

1603,5

42

210

230

321

122

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

PUR Cellulose PA Amidon PLA PE/PVC PHA Total

0

50

100

150

200

250

300

350

2010 (Ktpa)

2013 (Ktpa)

% Taux de croissance



Source : European Bioplastics/Institue for Bioplastics ans biocomposites – Oct 12







Conclusions 6


Les matières plastiques bio-sourcées les plus courantes

Amidon

• Maïs, Blé, Pomme de terre, Manioc, Pois

• Produits à courtes durée de vie :

• secteur agricole (films de paillage, pots,..)

• emballage (sacs, couverts, verres,…)

PLA • Maïs, Canne à sucre, Manioc

• Emballage agroalimentaire (barquette, film, vaisselle

jetable, pot de yaourt,…), cosmétique et hygiène jetable

PHA • Fermentation bactérienne de sous produits

• Packaging agroalimentaire, cosmétique et hygiène

jetable (rasoirs, brosse-à-dents, couches)

Acétate Cellulose • Bois, coton

• Emballage primaire cosmétique et agroalimentaire

Autres Bio-sourcés : PA, PE, PET, PUR, ….

• Ressources oléagineuses (huiles de ricin, de colza,

de soja, de tournesol) : PA et PUR

• Ressources oxygénées (sucres issus de betteraves, blé,

maïs, cannes à sucre) : PE, PET, PTT, PBS, PUR, PVC

D’après ALCIMED-ADEME 2011


Thermodurcissables Bio-sourcés

• GreenPoxy (GP55) - résine époxy de SICOMIN

• Huile de ricin d’où sont extrait les polyols

• Résine polyester à 40% bio-sourcée

• Palapreg Eco P55-01 - résine polyester bio-sourcé à 55%

• Applications SMC (sheet moulding compound) et BMC (bulk

molding compound).

• EcoComp UV-L resin - résine contenant 95% d’huile végétale

• Polymérise sous l’effet des UV

Sustainable

Composites

Ltd

• Exaphen - résine à 95% bio-sourcées

• synthétisé à partir de Cardanol sous produit de la noix de cajou


Les Fibres les plus courantes

Lin

Chanvre

Bois

Miscantus

Coton

Sisal

Noix de coco

Verre

Carbone

Polyamide

Polyester

Polyacrylonitrile

UHMWPE

Polypropylène

Synthétiques


Les prix des matières plastiques

€/kg

PA-6, -12, -6, -6,6 , -6,12 3,3-3,5

PEhd, PEbd, PEbdl 1,3-1,4

PP (homo) ; PP (copo) 1,3 – 1,4 ; 1,4-1,5

PS 1,4-1,5

PVC 0,9 – 1,0

PET 1,2 – 1,3

PA-11, -6,10 3,3-3,5

Bio-PET 2,5

PLA 3,0 – 4,0

PHA 5,0 – 6,0

Amidon 1,0 – 1,5

PBS 4,5 – 5,0

Bio

-pla

stiq

ue

s


Développement des polymères bio-sourcées

Source: Agro-Food Valley

Stade R&D/Pilote

Abbrév. famille

Nylon Poly(amide-6,6)

PLA Poly(acide lactique)

PTT Poly(triméthylènetéréphthalate)

PBT Poly(buthylènetéréphthalate)

PBS Poly(buthylènesuccinate)

PBSA Poly(buthylènesuccinate-co-adipate)

PHB Poly(hydroxybutyrate) (famille PHA)

PHBV Poly(hydroxybutyrate –co-hydroxyvalérate) (famille PHA)

PHBHx Poly(hydroxybutyrate –co-hydroxyhexanoate) (famille PHA)

PA-6,6 ; PA-6,9

PA-6

PBS ; PBSA

R&D

PBT

Usine pilote

PHBHx

PHBV

PHB

PTT

Commercialisé Grande échelle Mature

Cellulosique

PA-11

Amidon

PLA


Le PLA est le polyester issu de ressources renouvelables (monomère

biosourcé) le plus utilisé actuellement

Les Poly(acide lactique) : Généralités

Corn Starch

L-lactic acid

Oligomers

L-lactide Poly(L-lactic acid),

PLLA

Ring-opening

polymerisation

(chain growth)

fermentation

Step-growth

condensation (-H2O)

heat


• Bonnes propriétés mécaniques (module)

• Transparent, semi-cristallin (vitesse de cristallisation très lente)

• Peut se substituer pour certaines applications au PET

• Propriétés thermomécaniques faibles

• Perméabilité aux gaz et à l’humidité similaire aux polyoléfines

• Propriétés finales dépendantes de la stéréochimie du

monomère de départ

Poly(L-acide lactique)

PLLA

Le PLA est compostable : peut convenir à des applications « durables »

Les Poly(acide lactique) : Propriétés


* O*

OR

n

PHAPHA R

P(3HB) -CH3

P(3HV) -CH2CH3

P(3HB-co-3HV) (Mirel) -CH3 et –CH2CH3

P(3HB-co-3HHx) (Kaneka),

(Nodax)

-CH3 et –CH2CH2CH3

P(3HB-co-3HO) (Nodax) -CH3 et –(CH2)4CH3

P(3HB-co-3HOd) (Nodax) -CH3 et –(CH2)14CH3

• Polyesters aliphatiques biodégradables

• Fermentation bactérienne

• Thermoplastiques semi-cristallins

• Résistent à l’eau,

• Problème : coût et capacité de production

R = CH3 = PHB poly(3-hydroxybutyrate)

R= C2H5 = PHV poly(3-hydroxyvalérate)

Les Poly(hydroxyalcanoate) PHAs : Généralités


* O*

OR

n

PHA

• Structure chimique variable et plus ou moins contrôlée

• Propriétés très différentes suivant la structure chimique (107 polymères)

Ex. PHB : Bonne résistance en température mais fragile

PHBV: Plus ductile, proche du PP

• Injection, Extrusion

• Températures process : 160°C à 180°C

Fournisseurs : Metabolix, Biomer, Bio-on, Kaneka, Fkur, Natureplast

Les Poly(hydroxyalcanoate) PHAs : Propriétés


Les Amidons : Généralités

• Amidon : Maïs, Blé, Pomme de terre, Pois

• Polymère naturel issu du mélange de deux macromolécules

• Composition (origine de l’amidon) Propriétés différentes

• Amidon natif peut-être transformé en amidon thermoplastique :

Transformation par extrusion plastification (Plastifiant : eau,

glycerol, polyols)

O

HH

H

H*

H

O

OHOH

OH

O

HH

H

H

H

O

OHOH

OH

*n

O

HH

H

H*

H

O

OHOH

O

O

HH

H

H

H

O

OHOH

OH

*

HH

H

H*

H

O

OHOH

OH

n

n

Cliché MEB d’amidon

Amylose Amylopectine


• Bonnes propriétés mécaniques

• Excellente propriété barrière,

• Insoluble dans eau froide

• Conservation des propriétés dans le temps ?

• Anti-statique

• Soufflage, injection, extrusion

• Températures process : 120 à 180°C

Fournisseurs : Novamont Spa, Biopolymer Technologies AG, Biotec GmbH,

Plantic Technologies, Biopak

Les Amidons : Propriétés


La cellulose et ses dérivés

• Bonnes propriétés mécaniques

• Transparent

• Densité proche de 1,2

• Matériau pouvant résister à l’eau bouillante

• Matériau généralement plastifié (10 à 20% de plastifiants)

• Injection, extrusion, thermoformage

• Températures process : 190 à 240°C

Fournisseurs : Mazuchelli SPA, FKUR Kunststoff Gmbh, Clarifoli, Wolf Walsrode

AG, Albis plastic GmbH, Modiplast

H

HH

H

O*

H

O

OHOH

OH

*n

O

CH2OH

H

H

H

OH

OH

HHO

CH2OH

H

H

O

H

OH

OH

HHH

O

O Hn

cellulose

O

CH2OH

H

H

H

OR

OR

HHO

CH2OH

H

H

O

H

OR

OR

HHH

O

O Hn

R = H CelluloseR = Ac Cellulose acetate







Conclusions 6


Quelles applications?

Compostable Bag from

Unicoop © Novamont

Sacherie

Biodegradable Ecovio in Aldi-

Bags © Aldi / BASF

www.alfapac.eu/Alfapac_Vegetal_Origin.html



NatureWorks®

PLA © Huhtamaki PE Braskem

Canne à sucre

PE Braskem Flacon Volvic PET

Canne à sucre



PLA Sucre de Bagasse

www.dukesvalley.co.uk

PLA/Amidon

www.biomebioplastics.com


Quelles applications pour les thermoplastiques?

Biofront (complexe de PLA) : fabrication des

sièges de la Mazda Premacy Hydrogen RE

Hybrid (2007) Toyota : Sellerie et tapis de sol en bio-

PET issu de canne à sucre

http://autoopinionnouvelles.blogspot.fr/2012/02/ford-utilise-le-kenaf-une-plante.html, http://www.elite-auto.fr/actualites.asp?cat=4&id=8556.


Quelles applications pour les bio-composites?

80% de déchets de bambou et

cosses de riz + résine

biodégradable à base d’acides

aminés

www.becothings.com/fr/index.php

Projet « Fibratitia » Procédé d’emboutissage

profond en thermocompression

PP + lin tissé 50 % mini

Ou PLA + lin tissé 50 %

Porte-bouteille Sphères



Textile de lin multiaxial et d’une

résine thermodurcissable

www.biorenforts.com

Toyota : Couvre roue en PLA + kénaf

(2003)

Garnitures de porte

50% de PP et de 50% de fibres de

kenaf. Ford 4x4 « Escape » (2011)

http://www.biorenforts.com/



Cache de logement de roue de la classe A

Une partie des fibres de verre remplacées par des fibres

d’abaca (variété de bananes)

http://www2.mercedes-benz.be/

Johnson Controls : panneau de portes en

matiére plastique + fibres de bois

(BMW Série 3 – mai 2012)


Motive Industries. Cette citadine de quatre places, dotée

d’un moteur électrique, possède une carrosserie

entièrement réalisée à partir de fibres de chanvre (2013).


Scube®. Groupe

Dehondt Carrosserie à

50% de fibres de Lin

http://www.dehondt-lin.com/

Citroën DS5 : Coques de sièges

en PP chargé de fibres de lin



Green’Z : Garde-boue en

Gaïalène®

Calfee Design : Cadre bambou

recouvert de PU

Museeuw : Cadre résine époxy

+ fibres de carbone et de lin

« Navécomat » et l’Université

Bretagne sud : kayak à 30% lin et

résine bio-sourcée (à base

d’amidon).

« Araldite » : structure en

composite intégrant 50%

de fibres de lin







Conclusions 6


Rôle économique indéniable

Image de marque pour le consommateur

Matériaux intéressants mais nécessité de résoudre divers problèmes

(propriétés, approvisionnement, coût,..) pour pouvoir venir concurrencer

les matériaux de ressources pétrolières

Bilan environnemental mitigé (ACV, fin de vie,…)

Vieillissement de ces matériaux ?

R&D importante pour pérenniser ces matériaux

Conclusion sur les matières plastiques bio-sourcés


Merci pour votre attention !

Documents

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