Un moulage par injection de qualité avec des matières premières renouvelables
A l’origine, les produits en matière plastique ont été développés en remplacement des produits naturels non durables. Aujourd’hui, on les considère différemment grâce à une conscience de l’environnement croissante, et à la nécessité d’élaborer un mode de développement durable. Une revalorisation aussi complète que possible est nécessaire. Cela est toutefois lourd et entraîne des frais élevés. Grâce à de nouveaux développements, il est possible de fabriquer des produits avec des thermoplastiques à base de matières premières renouvelables. Ceux-ci satisfont les désirs des consommateurs, qui croient au développement durable, ont un potentiel d’estime élevée, et réduisent e problème des déchets, puisqu’ils sont bio-dégradables. De plus, ils améliorent le bilan CO2 de l’atmosphère.
Ces arguments sont particulièrement efficaces pour les produits à courte durée de vie, car ils représentent un argument de vente fort pour les produits jetables. Les thermoplastiques (1) Biomer (2) sont hydrofuges et largement résistants aux huiles et aux matières grasses. On peut ainsi fabriquer des produits en contact avec l’eau. Des emballages en PHB protègent les produits sensibles à l’humidité et aux pollutions grasses.
Les thermoplastiques biodégradables ont été développés pour deux raisons. La première raison est une volonté de développement durable, la seconde est l’élimination facile des déchets par compostage. Ici, seule la liaison chimique entre les monomères joue un rôle, mais toutefois pas l’origine du polymère. Il est dans ce sens possible de fabriquer des matières biodégradables avec du pétrole. L’hydrolyse des monomères n’est toutefois qu’une partie de l’histoire. Il est important que les monomères soient métabolisés à 100% dans un délai raisonnable. C’est le cas avec les matières renouvelables, puisque l’évolution s’est arrangée pour que tous les composants biologiques soient complètement exploitables et recyclables. Ce n’est pas encore démontré pour les polymères synthétiques qui contiennent des composés aromatiques. L’exemple de la résine phtalique (3) pour le PVC (4) doit servir d’avertissement. Il est incontesté qu’elle est biodégradable, mais son temps de décomposition est si lent qu’il atteint les couches sédimentaires
Plastique et biomère
Le PHB est un bio-polymère présent dans tous les organismes. Beaucoup de bactéries produisent du PHB en grandes quantités comme réserve (comme de la graisse). Le PHB est un thermoplastique facile à traiter, non toxique et biodégradable. Biomer produit du PHB et en fait des granulés, qui peuvent être traités avec les mêmes machines que les matériaux synthétiques classiques à base de pétrole brut.
Le PHB est une source de stockage d’alimentation biologique pour les bactéries et les champignons. Idem pour les produits qui sont fabriqués à base de PHB. Le PHB n’est toutefois décomposé que lorsque des phosphates, de l’azote, des sels, de la chaleur et de l’humidité permettent la croissance de micro-organismes. Ces conditions sont réunies dans le compost et dans la terre, mais pas dans des conditions normales d’utilisation. C’est pourquoi les produits en PHB peuvent durer des années dans des conditions normales d’utilisation.
Le PLLA est de l’acide lactique naturel, obtenu par fermentation de sucre et polymérisation (poly-L Lactat). Biomer l’utilise pour produire des granulés qui peuvent être moulés avec des machines standards. La matières en fonte se comporte comme les cristaux liquide (LCP’s). Les articles réalisés en PLLA sont en matière transparente.
Le PLLA est hydrolysé de manière auto-catalytique, dans des conditions humides au-dessus de la température de transition vitreuse (55 ºC). L’acide lactique apparaît. Des micro-organismes l’utilisent comme source d’alimentation. Dans les conditions de décomposition citées plus haut, la vitesse de décomposition biologique dépend de l’épaisseur des parois des pièces et de la température ambiante : lentement (jusqu’à des années) dans la terre, plus rapidement dans le compost de jardin, et en quelques semaines dans les annexes de compost industriel. Quand la règle générale s’applique, les produits en PHB peuvent se décomposer aussi rapidement que le bois. Des produits en PLLA se décomposent au contraire seulement dans le compost industriel.
Le PLLA a une température de transition vitreuse de 50 ºC-60 ºC. Si la coulée est refroidie rapidement lors du traitement sous cette température, les pièces restent transparentes. Un exemple d’application pour le PLLA transparent est ELISA-Strip. D’autres formulations existent, comme les Biomer avec lesquels pab productions (http://www.pabproductions.de) a développé ELISA-Platten et Immuno-Sticks pour des applications médicales .
Le PHB est imperméable et son aspect biodégradable en fait un thermoplastique idéal. Il se métabolise complètement et rapidement. Le PHB a toutefois d’autres qualités inhabituelles, de sorte qu’il serait dommage de concevoir ce polyester uniquement dans sa fonction biodégradable. Les tasses de consommation courante en PHB ont une couleur plaisante et une surface excellente et brillante. Le matériau est imperméable et résistant à la chaleur. La température de transition vitreuse du PHB se situe à moins de 0ºC. Par conséquent, il n’est pas possible de fabriquer des pièces transparentes. Trois qualités différencient le PHB de tous les autres thermoplastiques actuellement sur le marché : il est absolument linéairement, isostatique, stéréo-isomère et il est sans aucun germe cristallin.
Le PHB est parfaitement linéaire, ce qui signifie que les molécules ne se mélangent pas entre elles dans la matière en fusion. Elles passent les unes à côté des autres comme des spaghetti chauds. C’est pourquoi la coulée est très fluide. Une coulée très fluide convient toutefois pour la fabrication d’articles ou de pièces de moulage à injecter, à parois minces, avec des structures complexes et à maillons fins. Nous avons pu montrer avec des photos prise au microscope électronique que des structures de surface en dessous de 1 micron peuvent être exactement reproduites. On n’a besoin ni de grandes machines, ni de forces de retenue extrêmes. Une simple petite presse à injection convient tout à fait.
Le PHB est parfaitement isostatique et stéréo-isomère, ce qui lui confère une grande tendance à la cristallisation. En effet, jusqu’à 70% de la masse totale est stockée dans les cristaux. En pratique, cela signifie que la coulée devient extrêmement rapidement ferme. Les temps de cycle sur les appareils de moulage à injection sont plus rapides d’environ 20% à 30% qu’avec des matières conventionnelles,. La liberté des germes cristallins (restes de catalyseur) signifie qu’il est enfin possible d’orienter de façon exacte la densité et la dimension des nodules par l’addition de germes cristallins externes. Ainsi, il est possible d’influencer les caractéristiques des propriétés élastiques . Dans le laboratoire, durant les applications pratiques, nous n’avons pas encore atteint de dimensions inférieures à 1 micron. Les propriétés du matériau se modifient de façon importante, comme par exemple pour le moulage de l’acier. Une résistance mécanique de plus de 300 Mpa peut être atteinte par étirement des nodules. Le plus important n’est pas le fait que ces qualités soient comparables, mais que les produits issus de cette matière soient en plus biodégradables, plus faciles à fabriquer, sur des petites machines, avec des temps de cycle réduits .
Cela est valable pour les emballages des aliments pour animaux et par exemple les pots de yaourt (jetés tels quels, après usage, dans le collecteur de compost). D’autres articles de loisirs font partie de la même catégorie que ceux qui peuvent être jetés dans l’environnement. L’argument de vente "biodégradabilité totale" peut aussi se justifier de manière intéressante pour les articles d’horticulture, particulièrement dans le secteur de l’horticulture de loisirs, et pour les articles de deuil dans les cimetières. Pour les applications techniques, l’argument "dégradable" est plutôt gênant. Cette qualité est toutefois inutile dans ce secteur, puisque le PHB n’est décomposé que par des bactéries et des champignons vivants. De plus, il faut des sels, de l’ammoniaque et de l’acide phosphorique, ainsi que d’autres composants et une humidité élevée. Sans ces conditions, le PHB reste intact pendant des années. Le Biomer GmbH garantit des caractéristiques d’utilisation jusqu’à cinq ans pour des formulations spéciales.
Les pièces aux structures complexes, difficiles à mouler par injection, font partie du champ d’application technique. On ajoute généralement des LCP’s à ces pièces, des cristaux liquides qui sont coûteux. Etant donné la faible viscosité de coulée, le PHB offre une solution plus intéressante. La coulée ruisselle facilement dans les canaux et les structures les plus fins. Par conséquent, le PHB peut remplacer les LCP’s, dans les cas où ceux-ci ne peuvent pas être utilisés pour le moulage par injection, à cause de la résistance aux chocs thermiques. Les pièces en PHB peuvent facilement supporter des températures de 130 ºC-150 ºC. La coulée très fluide du PHB est aussi un argument, si on souhaite produire des structures de surface et des dessins plus fins. Un exemple serait la surface auto-nettoyante par l’effet Lotus.
L’utilisation du PHB est également intéressante dans le domaine des pièces aux parois minces. Avec le PHB, on peut fabriquer ce type de pièces sur des petits appareils avec de faibles forces de fermeture. Cet argument est particulièrement intéressant car il permet aux entreprises de transformation de réserver les grandes machines pour d’autres pièces. L’utilisation du PHB est particulièrement indiquée pour des petites pièces de moins de 0,5 g. L’expérience a montré qu’avec de telles pièces, la durée de validité des appareils représente jusqu’à 90% du coût unitaire. Cela devient intéressant si on peut produire 1.300 pièces de PHB au lieu de 1.000 par unité de temps.
Ce polymère, de même que le monomère, sont des produits du métabolisme des cellules humaines. Ils sont inoffensifs à des doses toxicologiques plus élevées. C’est pourquoi les produits en contact avec la peau ou avec les produits alimentaires, ou le fourrage, peuvent également être fabriqués avec des Biomer-Granulat (demande d’autorisation en cours pour les produits alimentaires).
Les polymères biologiques sont en concurrence avec les thermoplastiques classiques, qui ont été optimisés depuis cinquante ans, ou dont les applications remontent à plusieurs années (cf. communication du 2002-02-06) ; si les polymères biologiques sont moins chers pour la même qualité ou s’ils possèdent de meilleures qualités, il devient possible de les substituer aux polymères classiques.
Les thermoplastiques à base de matières premières renouvelables marqueront ce siècle et ceux qui s’engagent maintenant dans cette voie auront une avance sur le marché.
1) Thermoplastique : n. m. Matière plastique qui fond sous l’action de la chaleur ou, tout au moins, se ramollit suffisamment pour pouvoir être mise en forme un nombre infini de fois, sans modification de ses propriétés, utilisée notamment pour la fabrication de composants de pompes
2) Biomère : (abréviation de bio-polymère) Substances organiques constituée de molécules, caractérisées par la répétition d’un ou plusieurs types de motifs monomères. (monomère : molécule simple, capable de s’associer dans certaines conditions soit à elle-même, soit à d’autres molécules similaires, pour former un corps de masse moléculaire plus élevée et doté de propriétés différentes (polymérisation).
3) Résine phtalique : Composé chimique résultant de l’action d’un acide carboxylique sur un alcool ou un phénol, avec élimination d’eau.
4) PVC : Thermoplastique obtenu par polymérisation du chlorure de vinyle, chimiquement inerte, utilisé surtout en tuyauterie et parfois pour la fabrication de pompes et/ou de leurs composants.
