Développement de procédés de mise en forme en voie sèche pour la fabrication de matériaux bio-sourcés à empreinte environnementale diminuée – DRYBIOMAT

Les procédés en voie sèche identifiés sont le moulage par compression ultrasonore (UCM) et la thermocompression (TCM). L'UCM est un dérivé du soudage par ultrasons inspiré du frittage. Elle consiste à former des matériaux par soudage de bio-éléments comprimés dont l’échauffement résulte de frottements inter-particules et de dissipations visqueuses.

La mise en forme en voie sèche n'a jusqu'à présent que peu été envisagée pour fabriquer des matériaux biosourcés. Pourtant, le sujet est innovant et répond sur bien des aspects aux enjeux de demain. Historiquement, pâtes et papiers sont obtenus par des procédés en voie humide qui consomment de l'énergie (2,9 MWh/tonne de papier) et de l'eau (15-25 m3/tonne) augmentant ainsi leur empreinte environnementale. Seules quelques études récentes se sont intéressées à l'obtention de panneaux de bois sans colle et de composites tout-cellulose par TCM. L’UCM a également été utilisée pour fabriquer des composites 100% biosourcés à partir de poudres d'amidon et de fibres de pâtes à papier. Les propriétés obtenues sont proches des polymères conventionnels et compatibles avec des applications structurelles. Cependant, certains verrous scientifiques empêchent encore le développement de ces solutions. Ils sont associés au manque d'informations concernant (i) les conditions réelles (température, humidité, contrainte/déformation) dans le matériau pendant la mise en forme, (ii) l'influence de la taille et de la structure des éléments, et des états de contrainte/déformation sur la génération, la propagation et la dissipation de chaleur, et (iii) le rendement de l’UCM. Ces phénomènes sont d’importance majeure car ils dirigent la mise en place de l’adhésion entre les éléments aboutissant à la formation de matériaux massifs.

L'objectif de DRYBIOMAT est de lever ces verrous à travers quatre axes de recherche. Le 1er concernera le développement de procédés UCM et TCM à l'échelle laboratoire adaptés aux spécificités de la biomasse. Le 2e évaluera la capacité des bioressources et des coproduits à être mis en forme en voie sèche. Le 3e étudiera les mécanismes d'adhésion conduisant à la formation des matériaux et les associera aux changements de propriétés pendant le procédé. Enfin, le 4e portera sur la caractérisation des bio-matériaux obtenus et analysera leurs performances au regard de leur empreinte environnementale.

Le développement de ces procédés pourrait conduire à l'obtention de matériaux 100% biosourcés et biodégradables aux propriétés similaires aux plastiques. L'utilisation directe des coproduits de l'agriculture et de l’industrie du bois pourrait réduire significativement leur empreinte environnementale tout en favorisant la circularité. Cela prouverait l'existence de méthodes alternatives pour produire des matériaux depuis la biomasse et accélérerait le développement de solutions durables en ingénierie des matériaux.

Les plastiques sont présents partout dans la vie quotidienne (370 millions de tonnes produites en 2020). L’épuisement des ressources pétrolières, la gestion des déchets, ou les effets des microplastiques sur les sols, les mers et le vivant conduisent les institutions à prendre des mesures de plus en plus sévères pour éviter leur utilisation. Aujourd'hui, la nécessité de trouver des solutions matériaux plus durables et les avancées récentes dans notre compréhension de la biomasse cellulosique ouvrent de nouveaux défis. En particulier, une direction possible consiste à développer des procédés plus soutenables pour produire des matériaux à partir de biomasse qui pourraient remplacer les plastiques. Dans ce contexte, DRYBIOMAT propose d'évaluer le potentiel des procédés de voie sèche pour fabriquer des matériaux biosourcés à impact environnemental réduit. L'objectif principal est de réussir à fabriquer des bio-matériaux performants, économes en énergie et en coût, durables, économiquement viables et transposables à l’échelle industrielle. Les procédés en voie sèche identifiés sont le moulage par compression ultrasonore (UCM) et la thermocompression (TCM). L'UCM est un dérivé du soudage par ultrasons inspiré du frittage. Elle consiste à former des matériaux par soudage de bio-éléments comprimés dont l’échauffement résulte de frottements inter-particules et de dissipations visqueuses.

La mise en forme en voie sèche n'a jusqu'à présent que peu été envisagée pour fabriquer des matériaux biosourcés. Pourtant, le sujet est innovant et répond sur bien des aspects aux enjeux de demain. Historiquement, pâtes et papiers sont obtenus par des procédés en voie humide qui consomment de l'énergie (2,9 MWh/tonne de papier) et de l'eau (15-25 m3/tonne) augmentant ainsi leur empreinte environnementale. Seules quelques études récentes se sont intéressées à l'obtention de panneaux de bois sans colle et de composites tout-cellulose par TCM. L’UCM a également été utilisée pour fabriquer des composites 100% biosourcés à partir de poudres d'amidon et de fibres de pâtes à papier. Les propriétés obtenues sont proches des polymères conventionnels et compatibles avec des applications structurelles. Cependant, certains verrous scientifiques empêchent encore le développement de ces solutions. Ils sont associés au manque d'informations concernant (i) les conditions réelles (température, humidité, contrainte/déformation) dans le matériau pendant la mise en forme, (ii) l'influence de la taille et de la structure des éléments, et des états de contrainte/déformation sur la génération, la propagation et la dissipation de chaleur, et (iii) le rendement de l’UCM. Ces phénomènes sont d’importance majeure car ils dirigent la mise en place de l’adhésion entre les éléments aboutissant à la formation de matériaux massifs.

L'objectif de DRYBIOMAT est de lever ces verrous à travers quatre axes de recherche. Le 1er concernera le développement de procédés UCM et TCM à l'échelle laboratoire adaptés aux spécificités de la biomasse. Le 2e évaluera la capacité des bioressources et des coproduits à être mis en forme en voie sèche. Le 3e étudiera les mécanismes d'adhésion conduisant à la formation des matériaux et les associera aux changements de propriétés pendant le procédé. Enfin, le 4e portera sur la caractérisation des bio-matériaux obtenus et analysera leurs performances au regard de leur empreinte environnementale. Le développement de ces procédés pourrait conduire à l'obtention de matériaux 100% biosourcés et biodégradables aux propriétés similaires aux plastiques. L'utilisation directe des coproduits de l'agriculture et de l’industrie du bois pourrait réduire significativement leur empreinte environnementale tout en favorisant la circularité. Cela prouverait l'existence de méthodes alternatives pour produire des matériaux depuis la biomasse et accélérerait le développement de solutions durables en ingénierie des matériaux.