Nathalie Legros

1. Institut des matériaux industriel
La plasturgie et les matériaux
biosourcés
Nathalie Legros, Nathalie Chapleau et Hongbo Li
2 juin 2011, Colloque québécois sur les bioplastiques compostables,
Sherbrooke
Institut des matériaux industriels

2. 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
Institut des matériaux industriels

3. Conseil national de recherches
Canada
• 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
Instituts
R&D multidisciplinaire unique et solutions scientifiques
et technologiques intégrées
Institut des matériaux industriels

4. Les bioproduits au CNRC:
Un réseau important
Sciences physiques Génie
• Institut Herzberg d'astrophysique • Centre de technologie des transports de
• Institut des étalons nationaux de mesure surface
• Institut de technologie de l'information • Institut des matériaux industriels
• Institut des sciences des microstructures • Institut de recherche aérospatiale
• Institut de technologie des procédés • Institut d'innovation en piles à combustible
chimiques et de l'environnement • Institut des technologies océaniques
• Institut national de nanotechnologie • Institut de recherche en construction
• Institut Steacie des sciences moléculaires
Soutien technologique et industriel
Sciences de la vie
• Programme d'aide à la recherche industrielle
• Institut de recherche en biotechnologie
• Institut canadien de l'information scientifique
• Institut des sciences nutritionnelles et de la santé
et technique
• Institut du biodiagnostic
• Institut des sciences biologiques
Programme national (initiative horizontale)
• Institut des biosciences marines
• Initiative en génomique et en santé
• Institut de biotechnologie des plantes
• Programme national sur les bioproduits
Institut des matériaux industriels

5. L’institut des matériaux industriels en
bref
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
CTA- Saguenay, QC
Partenaires et clients : 200
Entreprises en incubation : 22
Employés : 250
IMI – Boucherville, QC
Travailleurs invités : 200/année
Visiteurs : 10,000/année
Centre d'excellence en composites CMFA – London, ON
Magna-CNRC – Concord, ON
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6. 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.
Institut des matériaux industriels

7. Les polymères biodégradables
POLYMÈRES BIODÉGRADABLES
Issus de Issus de biotechnologie:
Issus de la Issus de synthèse:
micro-organismes: synthèse à partir de
biomasse pétrochimie
obtenus par monomères
extraction renouvelables
Cellulose
Amidon
Lignine
Chitine
Caséine
Collagène PHB, PHBV PLA PCL
Gluten (Polyhydroxyalkanoates) (Acide polylactique) (Polycaprolactone)
etc…
Bio-polyesters
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8. 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)
20 - 25% amylose
Amidon thermoplastique (TPS): Comportement et mise
75 - 80% amylopectine
en forme similaires aux plastiques conventionnels
Polysaccharide naturelle
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9. 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
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10. 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
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11. Développement des nouveaux
matériaux
Phase dispersée
Matrice
d’amidon thermoplastique
plastique
(TPS)
Issue du pétrole Bioplastique
Polyéthylène (PE) Acide polylactique (PLA)
Polypropylène (PP) Polyhydroxybutyrate (PHB)
Polystyrène (PS)
EVOH Défis:
Polycaprolactone (PCL)  Domaines dispersés uniformément
 Domaines de même taille, même forme
 Bonne adhésion à l’interface
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12. Mélanges bioplastiques TPS-PLA
Une seule étape d’extrusion pour obtenir un mélange de
bioplastiques montrant une bonne morphologie
27%TPS dans TPS-PLA 60%TPS dans TPS-PLA
Pas de compatibilisation
300
Elongation at break (%)
After Compatibilization
200
100
Compatibilisation
No Compatibilization
0
0 20 40 60 80
TPS Content (wt %)
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13. Mélanges TPS-PLA: extrusion de feuilles
33% TPS/PLA
67% TPS/PLA
33% TPS/PLA
compatibilisé
• Bonne qualité de surface et propriétés mécaniques
des feuilles de PLA/TPS (même à 67% TPS)
permettent un post étirage biaxial ou thermoformage 33% TPS/PLA
• Emballages rigides compostables (contenants
alimentaires ou autres)
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14. Mélanges TPS-PLA: fabrication de
pellicule
Contrôle de la
10 µm viscosité du
mélange
• Bonne dispersion du TPS (33% TPS)
• Amélioration du ‘’melt strength’’ pour fabrication de
pellicule
• Emballages souples, films agriculture…
compostables
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15. 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
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16. Comparaison des propriétés
mécaniques
Élongation
Matériau Module (MPa) à la rupture (%)
PE
800 500
polyéthylène
PS
3000 2
polystyrène
PLA 2800 3
TPS/PLA 1000 175 Contrôle de la
performance
mécanique par
TPS/PCL 180 900
l’ajout de TPS
PHB 4000 5
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17. Films 100% TPS solubles dans l’eau
t=0
t=12hr
Film à base
d’amidon
conventionnel
t=12hr
 Grand potentiel pour les applications Film à base
pharmaceutique et hygiénique d’amidon
modifié soluble
dans l’eau
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18. 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!
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19. Produits à base d’amidon
thermoplastique
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
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20. 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)
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21. Les bioplastiques…valorisation de
résidus
• Le développement de bioplastiques à partir de
la 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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22. Science et technologie
Questions?
Des solutions
pour l’avenir des
Canadiens
Insérez le nom de votre I/D/P, titre
Institut des matériaux industriels ou slogan 22