Demain, l'emballage sera biodégradable

ENQUêTE  Pour élargir les applications des bioplastiques, industriels et chercheurs veulent améliorer les propriétés barrière des emballages biodégradables et travaillent à la mise au point de nouveaux matériaux.

Sous la bannière du développement durable, les pressions environnementales ne cessent de s'accentuer. Les fabricants d'emballage n'échappent pas à la règle. La révision de la directive 94/62/CE sur les déchets donne le ton : 22,5 % des « packagings » en plastique devront être recyclés d'ici à 2008, contre 15 % aujourd'hui. Le plastique... Encore une fois, il est pointé du doigt. Pollution visuelle par les sacs de caisse, appauvrissement des ressources fossiles, incinération de déchets... Les griefs ne manquent pas. Dans ce contexte, l'industrie de l'emballage, première consommatrice de plastique en Europe, recherche des alternatives. Une opportunité pour l'emballage biodégradable, qui devrait prendre son essor. A une condition : l'amélioration des propriétés des bioplastiques, souvent moindres que celles des polymères classiques comme le polyéthylène téréphtalate (PET), le polypropylène (PP) ou le polyéthylène (PE). Et la différence se creuse encore avec les systèmes multicouches.

Les recherches portent à la fois sur les biopolymères déjà utilisés et sur la mise au point de nouveaux matériaux ou mélanges. Preuve de cette montée en puissance, le nombre de publications scientifiques sur le sujet a triplé entre 1996 et 2000. Idem pour les brevets déposés, dont le nombre a augmenté de plus de 26 % en quatre ans.

Si la recherche démarre à peine, certains biomatériaux ont déjà fait leur entrée dans le monde de l'emballage. Surtout deux d'entre eux : l'acide polylactique (PLA), de l'américain Cargill Dow, et le Mater-Bi, de l'italien Novamont. Ils sont issus de l'amidon, une ressource renouvelable, et seuls les procédés de transformation diffèrent.

Le premier est obtenu par déstructuration de l'amidon sous haute température. Le glucose ainsi obtenu subit une fermentation bactérienne pour être transformé en acide lactique, lui-même condensé et purifié en monomères qu'il ne reste plus qu'à assembler. Ce polyester aliphatique a des propriétés mécaniques proches de celles du du polystyrène et des propriétés physico-chimiques qui pourraient s'assimiler au PET. Très transparent, il est en revanche peu imperméable à l'oxygène et à l'humidité. « Les limites du PLA nous poussent à nous focaliser sur des emballages dédiés aux produits frais d'une durée de vie ne dépassant pas un mois », explique Stefano Cavallo chez Cargill Dow. Barquettes pour fruits et légumes, pots de yaourt, gobelets... autant d'applications que le groupe tente d'élargir.

Le premier axe de recherche concerne l'augmentation du point de fusion. A l'état amorphe, le PLA ne résiste pas au-delà d'une température de 50°C. Impossible donc de l'utiliser pour des emballages remplis à chaud, car la matière se déforme. Le groupe américain semble avoir trouvé la parade. « Par cristallisation du matériau sous forme de CPLA [PLA cristallisé, ndlr], nous avons plus que doublé sa résistance thermique », poursuit Stefano Cavallo. En revanche, cette avancée technique lui fait perdre sa transparence et elle ne résout pas le problème de faible barrière. Pour cela, il faudrait trouver d'autres procédés comme le laminage d'une couche externe barrière sur un film de PLA. Encore faut-il que cette couche soit biodégradable et, si possible, issue de ressources renouvelables, l'un des principaux atouts de cette résine.

Les travaux de Luc Averous, professeur à l'université de Strasbourg, pourraient bien intéresser Cargill Dow. « Nous introduisons des nanocharges ou nanolamelles d'argile ou organiques dans une matrice biodégradable à base de polyesters issus de ressources renouvelables comme le PLA ou encore le PHA [polyhydroxyalcanoate, ndlr]. En les orientant, nous arrivons à améliorer les propriétés mécaniques et barrières du matériau », explique-t-il.

Chez Novamont, le Mater-Bi - surtout utilisé dans l'emballage flexible pour les sacs de caisse en Europe ou les sacs de composts en Italie - souffre également de faibles propriétés barrière. S'il laisse passer très faiblement l'oxygène, il est en revanche très perméable à l'eau. Une qualité pour des produits qui respirent comme les salades sous sachet, mais qui interdit d'emballer des produits humides.

Contrairement au PLA, le Mater-Bi n'est pas issu de procédés industriels de synthèse. L'amidon est simplement déstructuré, puis restructuré avec un polyester biodégradable (Ecoflex de BASF, Eastar Bio d'Eastman...), dont la concentration (avoisinant en moyenne 25 %) dépend de l'application. Hydrophile et peu performant au niveau des propriétés mécaniques, l'amidon ne peut pas se passer des polyesters. « Nous pouvons jouer sur la nature de ces polyesters et leur concentration, pour étendre les applications », annonce Christophe Doukhi de Boissoudy, responsable du produit en France. L'objectif ? Donner au Mater-Bi une barrière sélective à l'azote, à l'oxygène, au dioxyde de carbone et même à la vapeur d'eau. Si le groupe italien a déjà étendu les propriétés du matériau, notamment à l'emballage rigide, il lui faudra travailler encore longtemps pour autoriser l'utilisation de ce matériau pour des aliments à durée de vie longue. Avec une contrainte supplémentaire : limiter l'utilisation de polyesters biodégradables issus de la pétrochimie. D'abord pour parfaire l'image écologique du biodégradable. Ensuite pour diminuer le coût de l'emballage. Les polyesters biodégradables sont en effet très chers, environ 3 euros le kilo, alors que l'amidon, lui, ne coûte que 45 centimes. Pour surmonter cet obstacle, les géants de la chimie n'hésitent plus à combiner les deux matériaux. DuPont tente d'élargir les applications de son Biomax. Pour l'heure, les laboratoires qui travaillent sur l'amidon en sont à diminuer la concentration de polyesters sans parvenir à les éliminer. Sans quoi les propriétés barrière exigées seront difficiles à atteindre.

Pour y parvenir, certains se sont inspirés des technologies déjà utilisées. « Nous avons commencé par associer de l'amidon plastifié, un plastifiant d'origine végétale, avec de faibles quantités de polymères biodégradables », explique Luc Averous, professeur à l'université de Strasbourg. En d'autres termes, le laboratoire a formé un multicouche par co-extrusion classique, avec du polyester en couche contact avec le produit à emballer. Un bon moyen pour diminuer la sensibilité à l'eau du matériau qui n'est cependant pas sans poser de problèmes. « La co-extrusion exige une affinité chimique entre les couches et une compatibilité du comportement rhéologique entre les matériaux qui limite le choix dans les polyesters biodégradables », ajoute-t-il. Mieux vaut en effet utiliser un polyester semi-polaire pour une bonne adhérence avec l'amidon. Des tests industriels ont suivi. La mise en oeuvre reste complexe.

Du coup, l'université de Reims, sous la coupe de Patrice Dole, également chargé de recherche à l'Inra, s'oriente vers une nouvelle voie, elle aussi inspirée des technologies barrière utilisées pour les bouteilles en PET : le plasma. Cette technologie consiste à déposer une couche minérale sur un substrat dans des conditions de vide. « Nous avons choisi le SiOx car il est très polaire et affiche donc une très bonne compatibilité avec l'amidon », explique Patrice Dole. Cette matière, qui s'assimile à du verre, apporte à l'amidon de très bonnes propriétés barrière. Mais là encore, les tests montrent que l'apport de polyester, en très faible quantité certes, était nécessaire. Car, sous-vide, l'amidon s'assèche et la couche de silice ne se dépose pas de façon homogène. « En incorporant un polyester très incompatible avec l'amidon, celui-ci va migrer vers les surfaces autorisant alors la stabilité du dépôt de silice », précise ce chercheur. Une technologie encore à l'état expérimental, qui permettrait de s'affranchir des problèmes de faible barrière.

L'amidon n'est cependant pas la seule source renouvelable pouvant intéresser le monde de l'emballage. La cellulose ou la chitine restent des pistes à ne pas négliger. Les travaux d'Alain Dufresne, professeur à l'Institut national de polytechnique de Grenoble (INPG) en sont la preuve. En modifiant chimiquement la cellulose, par l'ajout en surface d'un greffon (chaînes de polyoxyéthylène), il espère bien diminuer la sensibilité à l'eau et renforcer l'effet barrière aux gaz. « Nous avons demandé des financements pour conduire le même type d'études sur la chitine et sur l'amidon », souligne Alain Dufresne. De son côté, l'université de Montpellier a opté pour les protéines. Gluten de blé, de maïs, concentrat protéique de soja... « En jouant sur la température, le cisaillement, les plastifiants et les nanoparticules, nous avons obtenu cinq grandes familles de matériaux correspondant à des fonctionnalités différentes », explique Stéphane Guilbert, professeur à l'université de Montpellier. Mais surtout, ces emballages protéiques, couplés à des agents antimicrobiens, permettront des applications en alimentaires. Que ce soit par enduction ou encapsulation. L'emballage serait biodégradable, issu de ressources renouvelables, et il permettrait de diminuer les conservateurs dans la formule même de la recette.

Les recherches ne manquent pas. Il ne reste plus à la France et à d'autres pays européens, qu'à mettre en place des filières de biocompostage. Car si l'emballage est biodégradable, il n'est pas pour autant voué à être jeté dans la nature. Auquel cas, il lui faudrait au moins trois ou quatre ans pour disparaître. Un compost industriel, lui, le dégraderait en trois semaines. Les experts sont confiants. Selon une étude réalisée en collaboration par Ernst&Young et l'Ademe, en septembre 2003, la production de matériaux biodégradables passerait à 495 000 tonnes d'ici à 2005-2007 contre 254 000 tonnes en 2002.