Et si les composites en polymère renforcé de fibres de verre (PRFV) pouvaient être compostés en fin de vie, en plus des avantages éprouvés depuis des décennies en matière de réduction de poids, de résistance et de rigidité, de résistance à la corrosion et de durabilité ? C’est là, en résumé, tout l’intérêt de la technologie d’ABM Composite.
Verre bioactif, fibres à haute résistance
Fondée en 2014, Arctic Biomaterials Oy (Tampere, Finlande) a mis au point une fibre de verre biodégradable fabriquée à partir de verre bioactif. Ari Rosling, directeur R&D chez ABM Composite, décrit ce verre comme « une formulation spéciale développée dans les années 1960 qui permet sa dégradation dans des conditions physiologiques. Une fois dans l'organisme, le verre se décompose en ses sels minéraux constitutifs, libérant du sodium, du magnésium, des phosphates, etc., créant ainsi un environnement propice à la croissance osseuse. »
« Il possède des propriétés similaires àfibre de verre sans alcali (verre E)« Ce verre bioactif est difficile à fabriquer et à étirer en fibres, a déclaré Rosling. Jusqu'à présent, il n'était utilisé que sous forme de poudre ou de pâte. À notre connaissance, ABM Composite a été la première entreprise à en produire des fibres de verre à haute résistance à l'échelle industrielle, et nous utilisons désormais ces fibres de verre ArcBiox X4/5 pour renforcer différents types de plastiques, y compris des polymères biodégradables. »
implants médicaux
La région de Tampere, située à deux heures au nord d'Helsinki, en Finlande, est un centre de production de polymères biodégradables d'origine biologique destinés aux applications médicales depuis les années 1980. Rosling explique : « L'un des premiers implants commercialisés à partir de ces matériaux a été produit à Tampere, et c'est ainsi qu'est née ABM Composite, qui est aujourd'hui notre division médicale. »
« Il existe de nombreux polymères biodégradables et bioabsorbables pour implants », poursuit-il, « mais leurs propriétés mécaniques sont loin d'égaler celles de l'os naturel. Nous avons réussi à améliorer ces polymères biodégradables afin de conférer à l'implant une résistance comparable à celle de l'os naturel. » Rosling a précisé que les fibres de verre ArcBiox de qualité médicale, associées à l'ABM, permettent d'améliorer les propriétés mécaniques des polymères PLLA biodégradables de 200 % à 500 %.
De ce fait, les implants d'ABM Composite offrent des performances supérieures à celles des implants en polymères non renforcés, tout en étant biorésorbables et en favorisant la formation et la croissance osseuses. ABM Composite utilise également des techniques automatisées de placement des fibres afin d'assurer une orientation optimale de ces dernières, notamment en les disposant sur toute la longueur de l'implant et en ajoutant des fibres supplémentaires aux points potentiellement fragiles.
Applications domestiques et techniques
Avec son pôle médical en pleine expansion, ABM Composite reconnaît que les polymères biosourcés et biodégradables peuvent également être utilisés pour les ustensiles de cuisine, les couverts et autres articles ménagers. « Ces polymères biodégradables présentent généralement des propriétés mécaniques inférieures à celles des plastiques issus du pétrole », explique Rosling. « Mais nous pouvons renforcer ces matériaux avec nos fibres de verre biodégradables, ce qui en fait une excellente alternative aux plastiques commerciaux d'origine fossile pour une large gamme d'applications techniques. »
Par conséquent, ABM Composite a renforcé son unité commerciale technique, qui emploie désormais 60 personnes. « Nous proposons des solutions de fin de vie plus durables », explique Rosling. « Notre proposition de valeur consiste à intégrer ces composites biodégradables dans des opérations de compostage industriel où ils se transforment en terreau. » Le verre E traditionnel est inerte et ne se dégrade pas dans ces installations de compostage.
Composites de fibres ArcBiox
ABM Composite a développé différentes formes de fibres de verre ArcBiox X4/5 pour des applications composites, à partir defibres courteset des composés de moulage par injection àfibres continuesPour des procédés tels que le textile et le moulage par pultrusion, la gamme ArcBiox BSGF associe des fibres de verre biodégradables à des résines polyester biosourcées. Elle est disponible en qualités technologiques générales et en qualités ArcBiox 5, approuvées pour le contact alimentaire.
ABM Composite a également étudié divers polymères biodégradables et biosourcés, notamment l'acide polylactique (PLA), le PLLA et le polybutylène succinate (PBS). Le schéma ci-dessous illustre comment les fibres de verre X4/5 permettent d'améliorer les performances et de rivaliser avec les polymères renforcés de fibres de verre classiques tels que le polypropylène (PP) et même le polyamide 6 (PA6).
ABM Composite a également étudié divers polymères biodégradables et biosourcés, notamment l'acide polylactique (PLA), le PLLA et le polybutylène succinate (PBS). Le schéma ci-dessous illustre comment les fibres de verre X4/5 permettent d'améliorer les performances et de rivaliser avec les polymères renforcés de fibres de verre classiques tels que le polypropylène (PP) et même le polyamide 6 (PA6).
Durabilité et compostabilité
Si ces composites sont biodégradables, quelle sera leur durée de vie ? « Nos fibres de verre X4/5 ne se dissolvent pas en cinq minutes ou en une nuit comme le sucre, et même si leurs propriétés se dégradent avec le temps, ce sera beaucoup moins perceptible », explique Rosling. « Pour une dégradation efficace, il faut des températures et une humidité élevées pendant une longue période, comme dans la nature ou dans les composts industriels. Par exemple, nous avons testé des tasses et des bols fabriqués à partir de notre matériau ArcBiox BSGF, et ils ont résisté à 200 cycles de lavage sans perdre leur fonctionnalité. On observe une légère dégradation des propriétés mécaniques, mais les tasses restent parfaitement utilisables. »
Il est toutefois important que, lors de leur élimination en fin de vie, ces composites répondent aux exigences standard du compostage. ABM Composite a réalisé une série de tests pour prouver sa conformité à ces normes. « Selon les normes ISO (pour le compostage industriel), la biodégradation doit intervenir en 6 mois et la décomposition en 3 mois/90 jours », explique Rosling. « La décomposition consiste à placer l'échantillon/produit testé dans la biomasse ou le compost. Après 90 jours, le technicien examine la biomasse à l'aide d'un tamis. Après 12 semaines, au moins 90 % du produit doit pouvoir passer à travers un tamis de 2 mm × 2 mm. »
La biodégradation est déterminée en broyant la matière vierge en poudre et en mesurant la quantité totale de CO₂ libérée après 90 jours. Cela permet d'évaluer la proportion de carbone contenue dans le compost qui est convertie en eau, en biomasse et en CO₂. « Pour réussir le test de compostage industriel, il faut atteindre 90 % des 100 % théoriques de CO₂ libérés par le processus de compostage (calculés à partir de la teneur en carbone) ».
Rosling affirme que le composite ABM répond aux exigences de décomposition et de biodégradation, et que les tests ont démontré que l'ajout de sa fibre de verre X4 améliore effectivement la biodégradabilité (voir tableau ci-dessus), qui n'est que de 78 % pour un mélange de PLA non renforcé, par exemple. Il explique : « Cependant, avec l'ajout de nos fibres de verre biodégradables à hauteur de 30 %, la biodégradation a atteint 94 %, tout en conservant de bons taux de dégradation. »
Par conséquent, ABM Composite a démontré que ses matériaux peuvent être certifiés compostables selon la norme EN 13432. Les tests que ses matériaux ont passés à ce jour comprennent la norme ISO 14855-1 pour la biodégradabilité aérobie finale des matériaux dans des conditions de compostage contrôlées, la norme ISO 16929 pour la décomposition aérobie contrôlée, la norme ISO DIN EN 13432 pour les exigences chimiques et la norme OCDE 208 pour les tests de phytotoxicité, ISO DIN EN 13432.
CO2 libéré lors du compostage
Le compostage libère effectivement du CO2, mais une partie reste dans le sol et est ensuite utilisée par les plantes. Le compostage est étudié depuis des décennies, à la fois comme procédé industriel et comme procédé de post-compostage qui libère moins de CO2 que d'autres solutions d'élimination des déchets. Il est toujours considéré comme un procédé respectueux de l'environnement et permettant de réduire l'empreinte carbone.
L'écotoxicité consiste à tester la biomasse produite lors du compostage et les plantes cultivées avec cette biomasse. « L'objectif est de s'assurer que le compostage de ces produits ne nuit pas aux plantes en croissance », a déclaré Rosling. Par ailleurs, ABM Composite a démontré que ses matériaux répondent aux exigences de biodégradation dans des conditions de compostage domestique, qui exigent également une biodégradation de 90 %, mais sur une période de 12 mois, contre une période plus courte pour le compostage industriel.
Applications industrielles, production, coûts et croissance future
Les matériaux d'ABM Composite sont utilisés dans de nombreuses applications commerciales, mais les détails ne peuvent être divulgués en raison d'accords de confidentialité. « Nous commandons nos matériaux pour des applications telles que les tasses, les soucoupes, les assiettes, les couverts et les boîtes de conservation alimentaire », explique Rosling, « mais ils sont également utilisés comme alternative aux plastiques dérivés du pétrole pour les emballages cosmétiques et les gros articles ménagers. Plus récemment, nos matériaux ont été sélectionnés pour la fabrication de composants de grandes installations de machines industrielles nécessitant un remplacement toutes les 2 à 12 semaines. Ces entreprises ont constaté qu'avec notre renfort en fibre de verre X4, ces pièces mécaniques peuvent être fabriquées avec la résistance à l'usure requise et sont également compostables après utilisation. Il s'agit d'une solution intéressante pour l'avenir proche, car ces entreprises doivent relever le défi des nouvelles réglementations environnementales et d'émissions de CO2. »
Rosling a ajouté : « On constate également un intérêt croissant pour l’utilisation de nos fibres continues dans différents types de tissus et de non-tissés afin de fabriquer des composants structurels pour le secteur de la construction. Nous observons également un intérêt pour l’utilisation de nos fibres biodégradables avec du PA ou du PP biosourcés mais non biodégradables et des matériaux thermodurcissables inertes. »
Actuellement, la fibre de verre X4/5 est plus chère que la fibre de verre E, mais les volumes de production restent relativement faibles. ABM Composite explore plusieurs pistes pour étendre ses applications et augmenter sa production jusqu'à 20 000 tonnes par an, au fur et à mesure de la croissance de la demande, ce qui pourrait également contribuer à réduire les coûts. Cependant, Rosling souligne que, dans de nombreux cas, les coûts liés au respect des exigences de durabilité et des nouvelles réglementations n'ont pas été pleinement pris en compte. Parallèlement, l'urgence de préserver la planète s'accroît. « La société privilégie déjà les produits biosourcés », explique-t-il. « De nombreux facteurs incitent à développer les technologies de recyclage. Le monde doit accélérer le rythme et je pense que la demande de produits biosourcés ne fera que s'intensifier à l'avenir. »
Avantage de l'ACV et de la durabilité
Rosling affirme que les matériaux d'ABM Composite réduisent les émissions de gaz à effet de serre et la consommation d'énergie non renouvelable de 50 à 60 % par kilogramme. « Nous utilisons la base de données Environmental Footprint Database 2.0, l'ensemble de données accrédité GaBi et des calculs d'analyse du cycle de vie (ACV) pour nos produits, basés sur la méthodologie décrite dans les normes ISO 14040 et ISO 14044. »
« Actuellement, lorsque les matériaux composites arrivent en fin de vie, l'incinération ou la pyrolyse des déchets composites et des produits en fin de vie (EOL) requiert une grande quantité d'énergie. Le broyage et le compostage constituent donc une alternative intéressante, et représentent sans aucun doute l'un de nos principaux atouts. Nous offrons ainsi une nouvelle forme de recyclabilité », explique Rosling. « Notre fibre de verre est fabriquée à partir de composants minéraux naturels déjà présents dans le sol. Dès lors, pourquoi ne pas composter les composants composites en fin de vie, ou dissoudre les fibres des composites non biodégradables après incinération et les utiliser comme engrais ? Il s'agit là d'une option de recyclage d'un réel intérêt à l'échelle mondiale. »
Shanghai Orisen New Material Technology Co., Ltd
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Date de publication : 27 mai 2024