by Seshata on 09/09/2014 | Culture Culturel

Comment sont fabriqués les plastiques à base de chanvre ?

Plastiques Chaque année, les innovations proposées dans le domaine de la technologie de fabrication de plastique de chanvre sont de plus en plus fréquentes, et désormais certaines grandes entreprises (en particulier les constructeurs automobiles) intègrent des plastiques issus du chanvre à leurs produits. Il existe différents types de plastique de chanvre, et nous allons dans ces lignes vous exposer brièvement comment chacun d’entre eux est produit.


How are hemp plastics made 1Cellulose de chanvre

La cellulose est le polymère organique le plus abondant sur terre, et c’est un élément fondamental des parois cellulaires des plantes et de nombreuses espèces d’algues. Bien que la cellulose soit essentiellement utilisée dans la fabrication de papier, on en fait également usage pour produire un éventail de plastiques différents, dont le celluloïd, la cellophane et la viscose. À l’origine de la production des matières plastiques, ces dernières étaient toutes composées de matériaux organiques non synthétiques, et la cellulose était à l’époque un élément fondamental de l’industrie florissante du plastique. Aujourd’hui, on assiste à un regain d’intérêt pour les bioplastiques en raison de leurs divers avantages pour l’environnement.

La cellulose est un polysaccharide à longue chaîne ayant la formule chimique (C6H10O5)n, composé de centaines ou de milliers d’unités de glucose liées. Elle forme des microfibrilles (brins fins à l’apparence de fibres) dans les parois cellulaires des plantes, et adopte également plusieurs formes cristallines différentes, bien que sa forme naturelle soit composée de sections cristallines avec des sections amorphes.

Cellophane, viscose et celluloïd

La cellophane et la viscose sont toutes deux classées dans les fibres de cellulose régénérées, car elles sont structurellement identiques à la cellulose. Elles sont produites suivant un processus similaire  :la cellulose est dissoute dans une solution alcaline, puis extrudée au travers d’une buse dans un bain d’acide sulfurique pour produire du film de cellophane, ou au travers d’une filière pour produire de la fibre de viscose. Le celluloïd est obtenu en produisant d’abord de la nitrocellulose (nitrate de cellulose) et en y ajoutant ensuite du camphre, un plastifiant largement utilisé, pour produire un thermoplastique dense et résistant qui peut être moulé facilement lorsqu’on le chauffe.

La cellulose de chanvre peut être extraite et utilisée pour fabriquer de la cellophane, de la viscose, du celluloïd et toute une gamme de matières plastiques apparentées. Le chanvre est connu pour contenir environ 65 à 70 % de cellulose, et est considéré comme une bonne source (le bois en contient environ 40 %, le lin 65 à 75 % et le coton jusqu’à 90 %), particulièrement prometteur en raison de sa relative durabilité et de son faible impact environnemental. Le chanvre pousse également plus vite que la plupart des espèces d’arbre, et nécessite moins de pesticides que le coton ou le lin – bien qu’il lui faille un apport important en engrais dans certains sols, et qu’il affiche une consommation en eau relativement élevée.

Autres produits potentiels à base de cellulose de chanvre

Le Zeoform est un bioplastique à base de cellulose qui peut être fabriqué à partir du chanvre et moulé pour obtenir un large éventail de produits (© Zeoform).
Le Zeoform est un bioplastique à base de cellulose qui peut être fabriqué à partir du chanvre et moulé pour obtenir un large éventail de produits (© Zeoform).

On utilise la cellulose pour fabriquer un large éventail de plastiques et d’autres substances apparentées. Pour une grande part, la différence de propriétés physiques réside dans la longueur des chaînes de polymères et l’ampleur de la cristallisation. Il existe différentes manières d’extraire la cellulose du chanvre et d’autres cultures fibreuses. La pulpe brute peut être hydrolysée (ses composants sont séparés par l’ajout d’eau) à 50-90 °C ; on peut ensuite l’imprégner dans une solution légèrement acide pour séparer les sections cristallines des sections amorphes, afin de produire de la cellulose nanocristalline.

En la soumettant à la chaleur et à la pression, on peut obtenir une forme intrigante appelée nanocellulose – un « pseudoplastique » qui ressemble à un gel, d’apparence visqueuse en conditions normales, mais devient plus liquide lorsqu’on le secoue ou lorsqu’il est soumis à un stress. La nanocellulose a un éventail d’applications possibles, comme matériau de renforcement du plastique composite, comme superabsorbant pour nettoyer les éclaboussures d’huile ou pour fabriquer des produits d’hygiène, et même comme stabilisant à calories réduites dans la technologie alimentaire.

Zeoform est un producteur de plastiques de chanvre proposant un plastique à base de cellulose, fabriqué par un processus breveté utilisant seulement de l’eau et un éventail de fibres de cellulose naturelles, y compris de chanvre. Sur son site Internet, Zeoform précise que cette technique « convertit les fibres de cellulose en un matériau de moulage à la résistance industrielle capable d’être formé pour obtenir un nombre infini de produits » allant de la « légèreté du polystyrène » à la « densité de l’ébène ». Le Zeoform est présenté comme étant 100 % non toxique, biodégradable et compostable, et un moyen de capturer du carbone sous des formes fonctionnelles et attrayantes. On ne sait pas exactement en quoi consiste leur technique propriétaire, mais elle semble autoriser un contrôle précis sur la longueur et l’enchevêtrement du polymère.

Plastiques composites à base de chanvre

Les plastiques composites comportent une matrice polymère, qui peut être à base de cellulose ou d’un éventail d’autres polymères naturels ou synthétiques, et de fibres de renfort, qui peuvent elles aussi être naturelles (et essentiellement composées de cellulose) ou synthétiques. Parmi les polymères naturels figurent l’asphalte, la gomme-laque, l’écaille de tortue et de nombreuses résines d’arbres, alors que les fibres naturelles comprennent le jute, le sisal, le coton et le lin. Les agents de remplissage inorganiques comprennent le talc, le mica et la fibre de verre.

Les composites à base de plastique de chanvre offrent une résistance élevée à la traction et une bonne rigidité, et sont utilisés dans la fabrication d’automobiles, de bateaux, d’instruments de musique et bien plus encore (© Wikmedia Commons).
Les composites à base de plastique de chanvre offrent une résistance élevée à la traction et une bonne rigidité, et sont utilisés dans la fabrication d’automobiles, de bateaux, d’instruments de musique et bien plus encore (© Wikmedia Commons).

Les biocomposites désignent généralement les composites comportant au moins un constituant principal d’origine organique. Bien qu’il soit possible de produire des plastiques 100 % biologiques, la majorité contiennent une part d’éléments synthétiques. Souvent, une fibre naturelle sera mélangée à un polymère synthétique et le produit obtenu sera étiqueté comme biocomposite. Les diverses combinaisons de fibres et de polymères qui sont utilisées pour fabriquer des bioplastiques varient considérablement au niveau de leur densité, de leur résistance à la traction et d’un certain nombre d’autres facteurs sur lesquels on peut jouer au cours du processus de fabrication afin de créer des produits adaptés à un éventail d’applications diverses – matériaux pour le bâtiment et les travaux publics, mobilier, instruments de musique, bateaux, panneaux de carrosserie automobile, sacs d’épicerie biodégradables, et même dans le domaine médical pour fabriquer des « échafauds » biocompatibles utilisés en reconstruction des parties osseuses.

Les fibres de chanvre sont bien connues pour leur résistance à la traction, en particulier les fibres des plants femelles (les fibres mâles sont plus fines, plus douces et souvent plus longues, mais également moins résistantes). Une étude de 2003 portant sur des composites à base de polypropylène (PP) renforcés avec des fibres naturelles de chanvre, de kenaf et de sisal, a permis de démontrer que leur résistance à la traction était comparable à celle des matériaux composites classiques à base de fibre de verre, et que le chanvre surpassait ses concurrents en matière de résistance à l’impact. Une étude de 2006 a permis de démontrer que les composites à base de fibre de chanvre étaient surpassés de peu par les fibres de verre. Une étude de 2007 sur des PP composites renforcés avec des fibres de chanvre a démontré qu’en utilisant une forme de PP connue sous le nom de polypropylène à base de maléate (MAPP), on augmentait la résistance à la traction et les propriétés mécaniques globales, atteignant des performances de l’ordre de 80 % de celle des composites traditionnels à base de fibre de verre.

Biocomposites à 100 % à base de chanvre

Divers biocomposites ont été développés entièrement à partir de substances organiques, et certains utilisent le chanvre comme agent de remplissage. En 2003, une étude portant sur la force de traction de la fibre de chanvre a permis de constater que si les faisceaux de fibre de chanvre étaient alcalisés avec de l’hydroxyde de sodium dilué (NaOH) à une concentration comprise entre 4 et 6 %, ils présentaient une force de traction et une rigidité nettement améliorées lorsqu’on les combinait avec une matrice polymère à base de liquide de coque de noix de cajou pour fabriquer des plastiques biocomposites.

En 2007, des chercheurs coréens ont annoncé la découverte d’un biocomposite produit à partir d’acide polylactique d’origine organique (PLA ; un polyester thermoplastique biodégradable important) renforcé avec des fibres de chanvre. Les chercheurs ont également découvert que le traitement des fibres de chanvre avec un alcali dilué augmentait leur résistance à la traction ; les biocomposites eux-mêmes présentaient une force et une rigidité accrue par rapport à des plastiques à base de PLA exclusivement.

En 2009, des chercheurs de l’université de Stamford  ont annoncé le développement d’un composite renforcé à la fibre de chanvre fabriqué avec du bio-polyhydroxybutyrate (BHP), un polymère qui peut être dérivé d’espèces bactériennes (notamment les bacilles) soumises à un stress physique tel qu’une carence en nutriments. Les composites de chanvre-BHP sont solides, doux et attrayants, et assez durables pour être utilisés dans le bâtiment, le mobilier et les revêtements de sol.

Polytéréphtalate d’éthylène (PET) 100 % biologique

L’industrie des boissons rafraîchissantes a commencé à incorporer du bio-PET à ses bouteilles et s’est fixée pour objectif de commercialiser 100 % de bouteilles en bio-PET d'ici 2018 (© JeepersMedia)
L’industrie des boissons rafraîchissantes a commencé à incorporer du bio-PET à ses bouteilles et s’est fixée pour objectif de commercialiser 100 % de bouteilles en bio-PET d’ici 2018 (© JeepersMedia)

Les plastiques à base de résine polymère peuvent être composés d’une seule molécule, alors que les plastiques composites supposent l’ajout d’une ou plusieurs résines pour que les fibres adhèrent entre elles et prennent leur forme plastique définitive. Alors que la plupart des bioplastiques se composent de nombreux matériaux différents, il est possible de produire une variété de plastiques, même composites, qui soient entièrement organiques.

En 2011, PepsiCo a annoncé la production d’une bouteille en plastique d’origine 100 % végétale fabriquée à partir de polytéréphtalate d’éthylène (PET), une résine polymère thermoplastique dont la formule chimique est (C10H8O4)n habituellement produite à partir de produits pétrochimiques, mais obtenue dans ce cas précis à partir d’un panel de sources végétales dont le panic érigé, l’écorce de pin et les feuilles de maïs.

Toutefois, il semble que cette bouteille 100 % bioplastique ne soit pas actuellement disponible, bien que PepsiCo et d’autres fabricants de boissons rafraîchissantes aient commencé à incorporer des bioplastiques à leurs bouteilles produites en série – notamment Coca-Cola qui a vendu 2,5 millions de sa « PlantBottle » à base de plantes au cours des deux premières années de production, ce qui représente 68 millions de kilos de bio-PET. Les entreprises parties prenantes à cette initiative ont indiqué que leur objectif était de garantir que 100 % des bouteilles commercialisées d’ici 2018 soient des bouteilles en bio-PET

Il est possible de fabriquer du bio-MEG et du bio-PTA à partir de bioéthanol

Le PET est produit en combinant 32,2 % de monoéthylène glycol (MEG) avec 67,8 % d’acide téréphtalique purifié (PTA) dans un réacteur d’estérification et en convergeant le résultat dans un réacteur de polycondensation. Il est possible de produire du MEG à partir de bioéthanol :’éthanol est déshydraté catalytiquement pour former de l’éthylène, qui est ensuite oxydé. L’oxyde d’éthylène réagit ensuite au contact de l’eau pour devenir du MEG. Le MEG peut également être produit à partir d’huiles végétales, bien que cette méthode ne soit pas utilisée à grande échelle actuellement. Le bioéthanol et les biohuiles peuvent être produits à partir de chanvre et d’autres cultures, et il est possible de les utiliser pour produire du PET qui comporte environ 30 % de matériau végétal ; produire du PTA à partir de sources naturelles semble néanmoins un peu plus délicat.

Le bio-PTA n’est pas encore disponible sur le marché, bien que l’on soit parvenu à en produire en laboratoire – en 2011, l’entreprise de bioproduits Virent, du Wisconsin, a annoncé qu’elle était parvenue à en obtenir à partir de sucres végétaux extraits de la canne à sucre, du maïs et de la biomasse ligneuse. Plusieurs sociétés tentent de mettre au point des techniques de production à grande échelle ; avec la promesse d’un éventuel contrat colossal auprès des fabricants de boissons, la motivation pour y parvenir ne manque pas.

Pour produire du bio-PTA, il est d’abord nécessaire d’obtenir du bioparaxylène (un carbone aromatique typiquement dérivé du pétrole). L’équivalent bio peut être produit à base d’éthylène. L’éthylène peut être obtenu directement du glucose végétal (ou du bioéthanol, qui est le produit fini issu de la fermentation du glucose végétal), et ensuite déshydraté catalytiquement pour produire du paraxylène.

Le chanvre comme source de bioéthanol

Le chanvre est souvent ignoré comme source d’éthanol, mais diverses études ont évalué son potentiel et donné des résultats favorables. Tandis que les cultures contenant du saccharose, comme la canne à sucre, et les cultures riches en amidon, comme le maïs, sont globalement de meilleures productrices d’éthanol, elles sont aussi plus consommatrices d’énergie, plus dommageables pour l’environnement, et font l’objet d’une forte demande pour d’autres usages, notamment alimentaires.

Bien que l’objectif de 100 % de bio-PET soit encore assez loin d’être atteint, des efforts sont faits pour commercialiser une bouteille réutilisable en plastique composite à base de chanvre.
Bien que l’objectif de 100 % de bio-PET soit encore assez loin d’être atteint, des efforts sont faits pour commercialiser une bouteille réutilisable en plastique composite à base de chanvre.

Il semble que l’un des principaux arguments contre l’utilisation du chanvre pour produire du bioéthanol soit la rentabilité, mais ces problèmes sont plus profondément liés à des questions d’économies d’échelle, car l’industrie du chanvre est minuscule comparée à celle du coton, du maïs ou de la canne à sucre. À mesure que la culture du chanvre continuera de progresser, ces obstacles devraient reculer en conséquence – et le chanvre présente des avantages non négligeables par rapport aux autres cultures, en particulier son faible impact environnemental.

Il a été démontré à maintes occasions que le chanvre était une source de biomasse offrant un rendement d’éthanol relativement bon. Une étude de 2009 a démontré que le chanvre pouvait produire 141 g d’éthanol par kg?¹ de chènevotte (partie ligneuse du chanvre), et une étude de 2010 a constaté que le chanvre pouvait donner jusqu’à 171 g d’éthanol par kg?¹ de matière sèche de chanvre.

Obtenir de l’éthanol à partir de la cellulose du chanvre

Les cultures contenant du saccharose, comme la canne à sucre, ont une forte teneur en glucose et un rendement abondant en éthanol, mais sont moins respectueuses de l’environnement que le chanvre (© Department of Energy & Climate Change)
Les cultures contenant du saccharose, comme la canne à sucre, ont une forte teneur en glucose et un rendement abondant en éthanol, mais sont moins respectueuses de l’environnement que le chanvre (© Department of Energy & Climate Change)

On estime que les propriétés les plus importantes des cultures d’herbacées comme le chanvre pour la production de bioéthanol sont la disponibilité abondante de biomasse et les forts rendements en glucose. Dans les plantes photosynthétiques, le mécanisme habituel consiste à produire du glucose à partir de l’amidon (un autre polymère composé d’unités de glucose liées, mais avec des liaisons plus faciles à rompre) ; c’est précisément le glucose issu de l’amidon qui fournit la base de l’éthanol de maïs, mais le glucose peut également être produit à partir de la cellulose à une échelle industrielle.

On s’accorde très largement sur le fait que la biomasse de cellulose offre une meilleure solution à long terme, car les produits à base de cellulose sont souvent convertis en déchets, alors que les produits amidonnés comme le maïs sont gaspillés pour être affectés à la production d’éthanol au lieu de denrées alimentaires. Toutefois, produire du glucose à partir de la cellulose – en particulier celle issue des plantes à forte teneur en lignine comme le chanvre – est difficile et coûteux, et l’heure est à la chasse aux nouvelles techniques améliorées permettant d’optimiser l’efficacité et le rendement. Prétraiter la matière sèche à la vapeur pendant un laps de temps court avant de soumettre le matériau à une hydrolyse enzymatique, par exemple, semble optimiser le rendement en glucose issu du chanvre et d’autres plantes à forte teneur en lignine.

Une étude estonienne sur les cultures sources de biomasse a révélé que les spécimens de chanvre testés offraient un meilleur rendement en termes de teneur en cellulose (53,86 % contre 21-26 % pour le spécimen offrant le rendement le plus faible, le topinambour) et en glucose (312,7 g par kg?¹ contre 122,7 g par kg?¹ pour le plus faible, le tournesol). Les chercheurs ont conclu que, sur les sept plantes testées, le chanvre était le meilleur candidat.

Il ne fait aucun doute que la recherche devra se poursuivre pour parvenir à trouver les alternatives les plus durables aux plastiques à base de pétrole. Toutefois, le rythme de la recherche s’intensifie à mesure que les gouvernements et les nations partout dans le monde ouvrent les yeux sur la nécessité absolue de limiter l’utilisation des produits pétrochimiques, et le chanvre est de plus en plus reconnu pour son excellent potentiel dans notre arsenal naturel de cultures prometteuses dans le domaine des bioplastiques.

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