DS03 - Stimuler le renouveau industriel

Soudage par ultrasons de papiers et nanocelluloses – ULTRACELL

Assemblage sans colle des papiers, cartons et nanocelluloses. Potentiel du soudage ultrasons.

Développement d’un procédé de soudage par ultrasons des papiers-cartons qui permette à terme de (i) supprimer les colles et les problèmes associés de contact alimentaire pour les emballages papiers-cartons, (ii) tendre vers des emballages mono-matériaux et en quasi-totalité biosourcés, (iii) diminuer l’impact environnemental lié à la surconsommation d’énergie et à la gestion des déchets lors du recyclage , (iv) faciliter la production de papier recylé en éliminant les points de colle résiduels.

Apporter la preuve de faisabilité d’un nouveau procédé industriel d’assemblage sans colle, à performances comparables aux assemblages par adhésif ou couche thermoscellable pétrosoucée.

L’ambition principale du projet ULTRACELL est d’apporter la preuve de faisabilité d’un nouveau procédé industriel d’assemblage sans colle ou de couches thermoscellables biosourcées. Le procédé développé devra présenter, à terme, des performances comparables aux assemblages par adhésif ou couche thermoscellable pétrosoucée utilisés aujourd’hui, en termes de qualité d’adhésion, de coût énergétique et de cadence de production. Il devra également garantir une réduction significative des coûts associés au recyclage des emballages et à l’absence d’huiles minérales ou autres contaminants. <br />Cette ambition se décline à travers plusieurs objectifs scientifiques spécifiques : <br />•Maîtriser la montée en température à l’interface des couches à assembler pour activer les mécanismes d’adhésion en tirant profit des propriétés thermophysiques des lignocelluloses et des additifs présents dans les papiers-cartons. <br />•Garantir le développement de l’adhésion par l’application en surface de nanocelluloses aux propriétés thermo-physiques adéquates, spécialement développées. <br />•Obtenir un démonstrateur de soudeuse de laboratoire adaptée aux papiers-cartons éventuellement associée à un dispositif de dépose locale de nanocelluloses. <br />Ces objectifs s’appuient sur les hypothèses suivantes : <br />•La connaissance des relations entre la génération de chaleur et les propriétés viscoélastiques et structurales aux différentes échelles (nano, micro et méso) des papiers/cartons. <br />•L’identification et la hiérarchisation des mécanismes d’adhésion activés lors du soudage ultrasons des lignocelluloses (fibres et nanocelluloses). <br />•L’adhésion peut être renforcée grâce à l’utilisation de nanocristaux de cellulose fonctionnalisés pour abaisser leur température de ramollissement ou pour rendre leur surface thermoplastique.

Pour atteindre les objectifs, la méthodologie consiste:
1- A accroître la maîtrise du procédé et à en déterminer les paramètres optimaux par (i) l’acquisition de données expérimentales in situ, (ii) la compréhension des phénomènes de montée en température dans les milieux discontinus ligno-cellulosiques, à travers l’analyse de l’influence des propriétés structurales et physiques (notamment viscoélastiques) aux différentes échelles sur la compétition entre la génération et la diffusion de la chaleur.
2-Puis à appréhender finement les phénomènes liés au développement de l’adhésion afin d'être en mesure d'en activer les mécanismes de manière optimale par (i) l’identification des mécanismes d’adhésion prédominants dans le cas du soudage ultrasons des papiers et (ii) la mise en évidence des relations entre les compositions chimiques (papiers, fibres et nanocristaux de cellulose) et l’activation des mécanismes d’adhésion.
3-En parallèle, à étudier les voies d’activation ou amélioration de l’adhésion à travers l’élaboration de nanocristaux de cellulose (NCC) (i) aux compositions chimiques adaptées à l’activation des phénomènes d’adhésion ou (ii) dont les surfaces seront fonctionnalisées pour montrer un comportement équivalent à celui d’un thermoplastique.
4-Enfin, à concevoir un démonstrateur de soudeuse dédiée à l’assemblage des papiers-cartons, le cas échéant après enduction des surfaces par les NCC développées dans la tâche précédente et à évaluer le coût de changement de technologie et le gain réalisé pour les assemblages collés ou thermoscellés existants.

Le dispositif de soudage instrumenté en cours de mise au point permettra d’établir un bilan énergétique le long de la chaine de soudage (ensemble acoustique, matériau et enclume), de prédire l’état général du matériau au cours du soudage et d’étudier les contributions des ultrasons.
En parallèle, l’influence de la taille des éléments (de la fibre brute aux micro-fibrilles de cellulose) à iso-composition chimique sur la performance au soudage a été étudiée. Trois pâtes à papiers ont été utilisées de manière à couvrir le spectre des compostions chimiques des pâtes. Les essais ont clairement mis en évidence que la composition chimique et la taille des éléments avaient une influence significative sur le développement de l’adhésion. L’influence des additifs classiquement présents dans les papiers-cartons sur la soudabilité a été également étudiée (couches pigmentaires, amidon, couches barrières biosourcées). Les résultats montrent que certains additifs améliorent nettement le niveau de performance au soudage des papiers-cartons. Cela est de très bon augure en vue d’une industrialisation du procédé.
Par ailleurs, des nanocristaux de cellulose ont été spécialement élaborés pour être soudables. Une première stratégie consistait à produire des films de nanocristaux de cellulose avec des proportions importantes de lignine et d’hémicelluloses. La seconde stratégie consistait à modifier chimiquement les nanocristaux de cellulose, soit dans le but d’abaisser leur température de transition vitreuse, soit de former une enveloppe thermoplastique en surface. Les essais pour évaluer leur soudabilité sont en cours.
Enfin les premières réflexions sur le type de démonstrateur ont amené à réaliser un benchmark des papiers-cartons commerciaux ayant une bonne aptitude au soudage ultrasons. Une première étude technico-économique est en cours pour comparer la technologie ultrasons appliquée aux papiers-cartons avec les technologies de collage standards.

Le projet ULTRACELL apporte une contribution non négligeable à l’un des défis majeurs auxquels la science des matériaux est confrontée : généraliser l’utilisation de matériaux issus de ressources renouvelables. Trouver les conditions qui permettent de rendre fusible les matériaux lignocellulosiques ouvrirait de nombreuses possibilités pour divers secteurs d’activités qui utilisent des matériaux de structure thermoformés comme le BTP, l’ameublement, le médical ou les transports.
En France, le secteur des papiers-cartons a la plus forte demande en colle. Ces adhésifs pétrosourcés représentent en moyenne 0,5 à 1% de la composition des emballages cartons. Le remplacement des procédés standards d’assemblage par collage des papiers-cartons par un procédé de soudage par ultrasons permettrait de diminuer très significativement les coûts associés au retraitement et à la fabrication de papiers-cartons recyclés. Cette réduction aurait un effet positif sur le taux de recyclage qui évolue peu depuis plusieurs années. Cela rendrait également possible la production d’emballages 100% issus de ressources renouvelables, totalement recyclables et biodégradables. Pour les applications en emballage alimentaire, les colles pétrosourcées représentent une source d’huiles minérales problématique pouvant être à l’origine de migrations de l’emballage vers l’aliment.
Le passage à une technologie de soudage par ultrasons des papiers-cartons représenterait un bel exemple de compétitivité durable en permettant à la fois d’augmenter la productivité tout en diminuant de manière significative l’impact sur l’environnement.

Ultrasonic welding of 100% lignocellulosic papers; Journal of Material science. October 2019, Volume 54, Issue 19, pp 12938–12950

Demande de brevet européen (EuroPCT) N°17732518.0
Titre : Procédé de fixation et système obtenu par un t

En Europe, 50% des papiers sont destinés à l’emballage et leur taux de recyclage est de 72%. Pour répondre aux attentes de la société, de nombreux travaux existent pour rendre ces emballages performants mais aussi 100% biosourcés et biodegradables et/ou recyclables. Actuellement, les emballages sont en général assemblés et collés, ou thermoscellés, à partir de polymères pétrosourcés. Ces colles sont soit thermofusibles, soit à base d’eau ou de solvant, soit des couches de polymères thermoscellables. Outre le caractère non biosourcé, ce collage pose des problèmes au cours du cycle de vie de l’emballage en raison de contamination possible en huiles minérales pour les applications alimentaires. Il complexifie également le processus de recyclage des papiers et cartons avec une consommation d’énergie significative et des rejets importants d’agglomérats de colles et de fibres éliminées. Par ailleurs, les propriétés thermophysiques des cartons ne permettent pas leur assemblage par thermoscellage à une cadence compatible avec la production d’emballage.
La finalité majeure du projet ULTRACELL est donc de démontrer la faisabilité d’un nouveau concept de soudage par ultrasons des papiers-cartons qui satisfasse aux exigences industrielles en termes de qualité d’assemblage, de cadence de production et de coût énergétique, tout en évitant l’utilisation de colles ou de couches thermoscellantes pétrosourcées. Le soudage par ultrasons est une technologie répandue et industriellement maîtrisée pour assembler des pièces thermoplastiques en quelques secondes. A l’heure actuelle, aucune référence de papiers-cartons n’est assemblée par ce procédé. Des essais préliminaires ont montré que des niveaux d’adhésion tout à fait intéressants pouvaient être atteints sur certains papiers-cartons existants. La soudabilité est encore améliorée par l’utilisation de nanocelluloses (demande de brevet déposée en 2016). Cependant, ces travaux ont mis à jour plusieurs verrous associés à l’utilisation de ce procédé pour l’assemblage des papiers : (i) la méconnaissance des conditions réelles de température au sein du matériau et à l’interface lors du soudage, (ii) la méconnaissance de l’incidence des propriétés structurales, à toutes les échelles, des lignocelluloses sur la compétition génération/dissipation de chaleur et (iii) la méconnaissance des mécanismes impliqués dans le développement de l’adhésion.
L'objectif du projet ULTRACELL est de lever ces verrous. Pour ce faire, une tâche consistera à accroître la maîtrise du procédé ultrasonore et à en déterminer les paramètres optimaux par l’acquisition de données expérimentales in situ et par la compréhension des phénomènes de génération de chaleur dans les milieux ligno-cellulosiques multi-échelles. Une tâche consistera à appréhender finement les phénomènes liés au développement de l’adhésion pour être en mesure d'en activer les mécanismes de manière optimale. Une autre tâche visera à favoriser l’adhésion par le développement de nanocelluloses modifiées chimiquement qui amélioreront la soudabilité. Enfin, sur la base des connaissances acquises, la preuve de concept d’une soudeuse dédiée à l’assemblage des papiers sera établie.
Le remplacement des procédés standards d’assemblage, de collage, des papiers-cartons par un procédé de soudage par ultrasons permettrait d’obtenir des emballages 100% biosourcés, de diminuer très significativement les coûts associés à l’assemblage, mais aussi à son recyclage et à la fabrication de papiers-cartons recyclés. Cela aurait un effet positif sur le taux de recyclage, mais également sur l’environnement avec la diminution des rejets de colle générés par les procédés de recyclage. Le changement de technologie permettra également d’accroitre les cadences de production de certains types d’emballage papiers-cartons. Le gain de productivité associé sera un levier d'amélioration de la compétitivité des entreprises françaises de la filière dans un contexte international très concurrentiel.

Coordinateur du projet

Monsieur Jérémie Viguié (CENTRE TECHNIQUE DU PAPIER)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

SONIMAT SONIMAT
CTP CENTRE TECHNIQUE DU PAPIER
Grenoble INP / 3SR INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE
Grenoble INP / LGP2 INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE

Aide de l'ANR 494 245 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2018 - 36 Mois

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