Analyse des matériaux pour l’assurance qualité et la dégradation des bioplastiques

Bharath Rajaram | Michael Onepe
May 23, 2022

Qu’est-ce qu’un bioplastique, et comment les fabricants utilisent-ils l’analyse thermique, la rhéologie et l’analyse mécanique pour intégrer avec succès les bioplastiques dans leurs produits ?

Qu’est-ce que les bioplastiques ? Comment les fabricants de plastique peuvent-ils les exploiter pour améliorer l’impact environnemental de leurs produits ? Étant donné le grand nombre de technologies vertes émergentes, les producteurs et les consommateurs doivent distinguer l’écoblanchiment1 des véritables avancées. En outre, si un nouveau développement est jugé avantageux pour l’environnement, toutes les étapes de la chaîne d’approvisionnement des plastiques, en particulier les transformateurs, devront alors trouver le moyen d’intégrer la nouvelle technologie sans compromettre leur processus ou leurs produits.

Les termes « bioplastiques » ou « bio-polymères » peuvent en fait se référer à deux types de matériaux : Les plastiques biosourcés sont produits a partir de matières premières renouvelables, comme la canne à sucre ou le maïs. Les plastiques biodégradables peuvent être totalement décomposés par des processus de décomposition microbiens ou enzymatiques, produisant des sous-produits naturels inoffensifs pour l’environnement, tels que des gaz (CO2, N2), de l’eau, de la biomasse et des sels inorganiques. La biodégradation peut aussi être appliquée à certains types de plastiques provenant de combustibles fossiles, comme le polybutylène adipate téréphtalate (PBAT) et le polycaprolactone (PCL). Il est important de noter que tous les plastiques biosourcés ne sont pas biodégradables, et vice versa.

La durabilité des plastiques doit être abordée à chaque étape du cycle de vie des matériaux, de la création à la dégradation. Les plastiques biosourcés et biodégradables sont potentiellement plus durables que les plastiques conventionnels, mais ils ont besoin des bons matériaux et des bonnes conditions pour atteindre la solution la plus durable. La durabilité maximale est obtenue avec des bioplastiques qui sont à la fois biosourcés et biodégradables, offrant un parcours réellement durable de la production à la gestion des déchets en fin de vie. Les classes de plastiques qui répondent à ce critère comprennent le PLA, le PHA, le PHB et les mélanges d’amidon.

Fabrication à partir de plastiques biosourcés

Les plastiques biosourcés sont attrayants car ils peuvent avoir des structures chimiques et des propriétés similaires à celles des plastiques conventionnels.2 Par conséquent, ils sont généralement utilisés pour des produits nécessitant une durabilité et une résistance élevées. Le remplacement des matières plastiques provenant de combustibles fossiles par des plastiques d’origine biologique réduit notre consommation de ressources non renouvelables et est plus durable à long terme. Cependant, les plastiques biosourcés pourraient potentiellement poser les mêmes problèmes d’élimination durable que ceux rencontrés avec les plastiques conventionnels provenant de combustibles fossiles. Un autre défi est l’analyse de la durabilité du cycle de vie et la réduction de la consommation d’eau et de carburant lors de l’agriculture pour les ingrédients biosourcés.

Les chercheurs qui travaillent sur de nouveaux bio-plastiques sont tenus d’équilibrer ces exigences de durabilité tout en préservant l’efficacité de la production et la qualité des produits. Lorsque de nouvelles formulations de plastiques biosourcés sont développées, les fabricants doivent effectuer des tests rigoureux pour s’assurer que leur produit final répond aux attentes des clients en matière de performance et de transformabilité, à un coût comparable à celui des plastiques issus de combustibles fossiles. À cette fin, il faut quantifier des paramètres comme la résistance du matériau, sa durabilité, sa viscosité, sa stabilité thermique, ses transitions de phase et d’autres qualités.

Fabrication de plastiques biodégradables

Les plastiques biodégradables permettent de réduire les déchets plastiques après utilisation, mais le terme lui-même s’applique à un large éventail de biodégradabilité. La plupart des plastiques biodégradables actuels doivent être compostés dans des conditions de température et d’humidité spécifiques, ce qui offre une opportunité pour de nouveaux polymères qui élargissent le potentiel de dégradation partout et plus rapidement après utilisation.3

Les plastiques biodégradables peuvent provenir de matériaux d’origine biologique ou fossile (ou d’un mélange des deux), ce qui requiert les tests sur les pré-produits décrits ci-dessus, mais avec le défi supplémentaire de concevoir pour la décomposition. Lors de la conception de nouveaux mélanges, les fabricants de plastique devront vérifier l’aptitude au traitement, la performance du produit et, enfin, la biodégradabilité effective.

Les transformateurs de plastique sont chargés de concevoir des produits capables de résister à une utilisation régulière tout en se dégradant facilement après leur élimination. Les essais de matériaux les aident à équilibrer les propriétés nécessaires et à trouver des formulations qui satisfont à toutes les exigences durant le cycle de vie du polymère. L’analyse thermique aide les développeurs à optimiser la décomposition des plastiques dans les installations de compostage ou les décharges. Ces mesures peuvent servir de base aux instructions données aux consommateurs pour assurer une élimination correcte des produits en vue de leur décomposition. L’analyse mécanique permet également de mesurer la résistance et la durabilité des plastiques lors de leur transformation, de leur utilisation et de leur décomposition.

 

Analyse matérielle des bioplastiques

Dans toute matière première plastique, l’analyse des matériaux est cruciale pour optimiser les conditions de transformation et les performances de l’utilisation finale. Les nouvelles formulations de bioplastiques nécessitent des tests encore plus rigoureux pour garantir qu’elles répondent aux normes des utilisateurs tout en maximisant la durabilité. Les techniques suivantes d’analyse des matériaux sont déjà très répandues dans le développement des plastiques, mais elles sont encore plus cruciales pour une innovation bioplastique réussie.

L’analyse thermique mesure de quelle manière les changements de température affectent les propriétés d’un matériau. Les instruments d’analyse thermique mesurent généralement le flux thermique, la perte de poids, la modification des dimensions ou les propriétés mécaniques en fonction de la température. La caractérisation des propriétés thermiques est cruciale pour la sélection et l’optimisation des matériaux bioplastiques, en répondant à des questions telles que :

  • Comment ce matériau va-t-il se comporter lorsqu’il sera chauffé pour être transformé, notamment par moulage ou extrusion ?
  • Le plastique conservera-t-il sa stabilité s’il est chauffé ou refroidi lors du transport ou de l’utilisation ?
  • Comment le matériau se décomposera-t-il ? Peut-on optimiser les matériaux pour les plastiques biodégradables ?

L’instrument d’analyse thermique le plus commun pour les bioplastiques est un Calorimètre différentiel à balayage (DSC) qui mesure la stabilité thermique et les transitions de phase pour évaluer le comportement d’un plastique dans différentes conditions. Les développeurs de bioplastiques utilisent l’analyse thermogravimétrique (TGA) pour connaître la composition exacte, y compris la teneur en substances volatiles ou en solvants et la teneur en charges (résidus). La TGA mesure également la température de décomposition ainsi que les produits obtenus, qui sont indispensables à la conception de plastiques biodégradables durables.

L’analyse mécanique comprend une variété de techniques permettant de caractériser les propriétés mécaniques d’un matériau ou de déterminer la réponse d’une structure à une force. Les fabricants de bioplastiques recourent à l’analyse mécanique dynamique (DMA) pour mesurer le module de stockage, le module de perte, le tan delta et la transition vitreuse (Tg) ; ces mesures facilitent la prédiction de la réponse d’un matériau plastique face aux forces et aux déformations à des températures données. La résistance des matériaux (mesurée à l’aide du module de Young, de la limite d’élasticité, de la résistance ultime, de l’allongement à la rupture, de la fatigue et de la durabilité) est cruciale pour prédire le comportement du produit final et peut être mesurée efficacement sur des tests mécaniques de Cadres d’essais

La rhéologie est l’étude de l’écoulement et de la déformation des matériaux.  Les rhéomètres mesurent la viscosité des bioplastiques, ce qui est primordial pour optimiser les possibilités de transformation, notamment par extrusion et moulage par soufflage. La rhéologie facilite également l’analyse de l’uniformité et de la durabilité du plastique lors du développement d’un nouveau mélange.

Ces mesures matérielles facilitent chaque étape de la fabrication des bioplastiques, de l’évaluation de la qualité d’une matière première donnée aux tests des propriétés du produit final. Au fur et à mesure que de nouvelles formulations de bioplastiques sont développées, les fabricants auront besoin d’approches systématiques pour intégrer de nouveaux mélanges tout en préservant l’efficacité, en répondant aux attentes des clients et en maximisant la durabilité.

Les meilleures mesures de matériaux pour les bioplastiques

Les plastiques biosourcés et biodégradables constituent de nouveaux défis, mais les fabricants sont déjà à la hauteur de la situation grâce à des analyses de matériaux de pointe. Des mesures précises de la composition et du comportement des matériaux à chaque étape de la fabrication facilitent la conception et la production de nouveaux produits plastiques écologiques. Les principaux développeurs de bioplastiques du monde entier font appel à TA Instruments, le leader mondial de l’analyse thermique, de la rhéologie, de la microcalorimétrie et des instruments d’essais mécaniques. TA Instruments a établi la norme acceptée par l’industrie pour la mesure des propriétés des matériaux et est donc la marque de choix des meilleurs laboratoires de polymères.

Si l’adoption d’un nouveau régime d’essai des matériaux peut sembler intimidante, les instruments TA sont conçus en pensant à l’utilisateur. Nombre de nos instruments sont équipés de la fonctionnalité TRIOS à une touche qui permet d’exécuter des tests préprogrammés d’un simple clic. Nous offrons également une assistance de pointe à la clientèle pour aider nos utilisateurs depuis la sélection et l’installation des instruments jusqu’à la réussite des tests.

Que vous cherchiez à étendre vos capacités de test existantes ou à relever de nouveaux défis de durabilité, TA Instruments offre l’instrumentation et les conseils dont vous avez besoin. Contactez nos experts dès aujourd’hui pour obtenir une assistance personnalisée et des réponses à toutes vos questions. Et consultez notre page sur les polymères pour en apprendre davantage sur nos offres uniques pour l’industrie des plastiques.

Références:

  1. The troubling evolution of corporate greenwashing. (2016). Bruce Watson. The Guardian. Accessed May 2022. https://www.theguardian.com/sustainable-business/2016/aug/20/greenwashing-environmentalism-lies-companies
  2. Bio-based? Recyclable? Biodegradable? Your guide to sustainable plastics. (2020). Sandrine Ceurstemont. Neste. Accessed May 2022. https://journeytozerostories.neste.com/plastics/bio-based-recyclable-biodegradable-your-guide-sustainable-plastics#6ce5bead
  3. Are bioplastics better for the environment than conventional plastics? (2019). Anja Krieger. Ensia. Accessed May 2022. https://ensia.com/features/bioplastics-bio-based-biodegradable-environment/

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