LE TOUJOURS PLUS DES POLYMÈRES

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Il ne leur suffit plus d'être légers et pratiques. Les industriels leur réclament des fonctions originales. À chaque fabricant sa recette pour additionner leurs propriétés dans de nouvelles combinaisons.

Un plastique qui diffuse des odeurs. Un autre, parfaitement transparent, et avec une bonne tenue au feu. Un qui résiste à de très hautes températures tout en restant, en même temps, très léger. Un autre, encore, antibactérien, et qui ne s'abîme pas quand il est soumis aux rayons ultraviolets du soleil... « Il y a beaucoup d'attentes autour des polymères », résume sobrement Dominique Appert, ingénieur R et D au centre de formation de la plasturgie (CFP), qui organise depuis cinq ans, des journées de l'innovation rassemblant de nombreux acteurs de la filière plastique. Légers et relativement faciles à utiliser, les polymères ont investi tous les secteurs de l'industrie. L'automobile, l'aéronautique comme la pharmaceutique et l'électroménager ou encore la construction ou les télécommunications, les mettent de plus en plus à contribution. Pour satisfaire les desiderata des industriels, les fabricants développent et allient les propriétés de ces matériaux dont la plasticité semble autoriser une créativité sans limites.

Pour respecter le cahier des charges de leurs clients, mais aussi se conformer à des réglementations toujours plus contraignantes, dans le domaine de la santé ou de l'automobile notamment, les industriels sont à la recherche de polymères « sur mesure », aux caractéristiques originales, comme un toucher spécifique par exemple, ou qui combinent des propriétés de manière inédites : une bonne résistance aux chocs et une épaisseur réduite, par exemple. Tout en restant, bien entendu, compétitif d'un point de vue économique...

« On challenge beaucoup nos fournisseurs de matières », reconnaît le responsable du service matériaux polymères et fluides chez Renault. Pour Gérard Liraut, les polymères employés pour les véhicules de la marque au losange doivent respecter quatre critères principaux. Le premier : l'effet waou ! Comprendre : un aspect, un toucher qui donne envie, qui permette un design esthétique et des finitions parfaites. Durabilité et fiabilité sont également essentielles. Cela passe par la nettoyabilité, les propriétés antirayures et antivieillissement, entre autres. La réduction des coûts est aussi dans la ligne de mire du constructeur. Enfin, l'empreinte environnementale représente un des critères majeurs. Principal objectif : doper les performances des matières à faible densité pour remplacer les polybuthylènes (PBT) ou les polyamides (PA) ainsi que les métaux. Objectifs : alléger les pièces, consommer moins et émettre moins de gaz à effet de serre.

L'ensemble de ces contraintes crée un terrain favorable à un foisonnement d'initiatives. Même si l'on peine à dénicher la recette miracle. Chimistes, « compounders » (fabricants de granulés), universités, centres de recherche, chacun y va de son axe de développement. « Aujourd'hui la tendance n'est pas à la création de nouveaux polymères, il y en a déjà plein les laboratoires ! », assure René Genillon, le directeur général de Mapea, une société de services et de R et D externalisée spécialisée dans la formulation des matières plastiques et dans les techniques de « compoundage » (mélange des matières). On travaille plutôt sur les polymères existants pour en faire des matériaux plus performants.

1. PLANCHER SUR LA FORMULATION

L'un des principaux axes de recherche porte sur la formulation. Il s'agit de trouver la bonne charge ou le bon additif. Celui qui apportera la fonction demandée, à mélanger à un polymère, sans détériorer les propriétés mécaniques ou optiques d'une matrice donnée. À titre d'illustration, le chimiste Arkema propose une gamme d'additifs, sans cesse améliorée, qui utilise les polymères intrinsèquement dissipatifs pour apporter une fonction antistatique. Mélangés à une vaste gamme de matrices polymères, ces additifs permettent de dissiper les charges électrostatiques de façon immédiate et permanente. La fonction trouve ses applications dans l'emballage de composés électroniques sensibles ou, par exemple, de matières explosives.

Identifier l'additif qui apportera la fonction souhaitée ne suffit pas toujours. « Les conditions particulières dans lesquelles on va introduire ces additifs sont cruciales », explique René Genillon, le directeur général de Mapea. Car il faut s'assurer que l'additif se mélange correctement et de manière homogène avec la matrice. C'est tout un savoir-faire. Que chacun protège jalousement... « L'affinité chimique entre la charge et la matrice est un élément clé », confirme Mathieu Oyharçabal, ingénieur R et D chez Rescoll, une société d'aide et de conseil aux entreprises en recherche et développement. Il étudie notamment une alternative aux composés inorganiques tels que les ferrites, relativement denses, habituellement utilisés pour faire en sorte qu'un polymère absorbe les rayonnements électromagnétiques. Ses travaux ont mis en évidence un effet de synergie entre de la polyaniline (rendue conductrice par l'ajout d'un dopant) et de nanotubes de carbone incorporés simultanément comme charges à une matrice époxy. Cette solution sera exploitée dans la protection électromagnétique, dans le domaine militaire, pour la furtivité, mais aussi comme revêtement pour les éoliennes afin d'éviter les interférences avec les équipements météo. Enfin, un autre axe de développement porte sur la recherche et l'incorporation de nanoparticules dans une matrice polymères. Une gamme de possibles immense qui constitue un univers à part entière.

2. EXPLORER LA VOIE DE LA CHIMIE

Alors que l'adjonction d'additifs met en oeuvre des actions mécaniques, l'apport de fonctions originales peut également s'effectuer par la voie chimique, afin d'assurer une durabilité accrue notamment. Plus complexe, elle nécessite un savoir-faire spécifique. Cette méthode est donc plutôt l'apanage de grandes entreprises de la chimie telles que Total petrochemicals, Basf, Arkema, etc. Elle suppose une bonne maîtrise de la structure des matériaux. Pour augmenter la tenue aux chocs à de très basses températures (comprises entre - 30 et - 90°), aux ultraviolets ou améliorer la tenue thermique, la société Sabic innovative plastics a développé divers copolymères à base de polycarbonates afin d'apporter à ces derniers des propriétés spécifiques. Il ne s'agit plus seulement de polymériser le monomère seul et de lui ajouter physiquement d'autres produits mélangés. Là, deux monomères sont polymérisés ensemble. L'interaction entre les chaînes moléculaires est plus forte et l'énergie nécessaire pour rompre ces chaînes est grande. D'où une meilleure tenue aux chocs. « Tout notre savoir-faire réside dans la maîtrise de la copolymérisation », prévient Riyas Moujavid, ingénieur technique France pour la partie consommateurs de Sabic innovative plastics. L'association de polycarbonates et de polysiloxanes, par exemple, réduit la durée des cycles et les angles de dépouille. Pour sa part, le copolymère de polycarbonate et de polyester présente une meilleure résistance aux ultraviolets et se caractérise par un moindre jaunissement et une moindre dégradation des propriétés mécaniques. Les casques de sécurité ou les boîtiers électriques destinés aux pays nordiques sont deux exemples d'applications visées par ce type de matériaux.

Dans ce domaine aussi, les nanoparticules font l'objet d'une attention particulière. L'objectif est d'ajouter des fonctions en s'affranchissant des problèmes de dispersion que pose le « compoundage ». En effet, associés mécaniquement, les nano-éléments tendent à s'agréger, ce qui limite certaines de leurs propriétés. Une autre méthode consiste à former une nanoparticule à l'intérieur du polymère par réaction chimique ou par un procédé de changement de phase. De son côté, Arkema avec l'Insa de Lyon, a élaboré plusieurs copolymères. Le tri-bloc polystyrène, polybutadiène, PMMA se structure en cylindre de tout petit diamètre avec un agencement particulier de chacun des trois polymères. Cette nanostructuration est liée à l'incompatibilité des blocs entre eux. Associé à une résine époxy, ce copolymère améliore la résistance mécanique et la tenue au choc sans altérer le caractère transparent de l'époxy, du fait de la taille des nanostructures.

3. AFFINER LES PROCÉDÉS

Pour pousser encore les performances des polymères, le couplage matériaux et procédés constitue un autre axe de recherche. Les méthodes de mise en place des polymères peuvent avoir un effet sur les propriétés des matériaux. À l'inverse, un polymère réputé pour certaines propriétés, comme une bonne résistance aux chocs par exemple, ne sera pas correctement exploité s'il ne trouve pas de procédé adapté à sa nature intrinsèque, comme sa viscosité par exemple, rendant son utilisation chère ou complexe. De nombreux acteurs, comme des sociétés spécialisées dans l'aide à la R et D, l'université de Bordeaux, l'Insa de Lyon, ou même le Cetim - plus connu pour ses activités dans les métaux - se penchent sur la question.

À titre d'exemple, la société Setup performance, venue présenter ses travaux lors de la journée de l'innovation organisée par le CFP le 8 février dernier, a développé un procédé d'extrusion réactive qui confère à la matière de nouvelles propriétés et de nouvelles fonctions. L'entreprise a notamment travaillé à l'assouplissement du POM (polyoxyméthylène) dans le but de fabriquer des durites de transport pour des liquides très agressifs. Elle a développé en partenariat avec une autre société, Evonik Industries, un mélange maître qui, ajouté, dans une proportion de 5 à 10 % à un polyuréthane permet de rendre ce dernier aussi facile à extruder qu'un PEBD (polyéthylène basse densité). De son côté, le Cetim a testé sur des polymères sa presse adiabatique qui avait été initialement achetée pour travailler sur les métaux. « Il s'est passé des choses très intéressantes », s'enthousiasme Florence Doré, ingénieur d'études dans le domaine des procédés performants et innovants, spécialisée dans les poudres. Le compactage grande vitesse, appliqué aux polymères en poudre placés dans la cavité qui définit la forme de la pièce, permet de réaliser en une seule étape les opérations de compression et de frittage. « À condition que l'outillage et la poudre soient préchauffés à la température de process, inférieure au point de fusion du polymère », précise Florence Doré. En fonction du polymère utilisé, du nombre de coups d'un bélier de 350 kg accéléré à grande vitesse, de l'énergie des coups et de leur fréquence, les propriétés de la pièce finale sont ajustables et améliorées.

« Comme il n'y a pas de fusion complète du polymère, il n'y a pas les problèmes de déformation ou de cassure que l'on peut rencontrer habituellement pendant la phase de refroidissement », explique l'ingénieur du Cetim. Cette technique pourrait permettre d'utiliser des polymères à très hautes performances trop visqueux pour être injectés. Seule limite pour le moment, le compactage grande vitesse n'est adapté qu'aux séries limitées et les pièces produites ont une forme axisymétrique. Pour le moment, aucune pièce industrielle n'en est sortie. « On a passé le stade de la recherche, on en est au développement, proche de l'industrialisation », prévient Florence Doré. Une thèse sur le sujet devrait aboutir dans les trois prochaines années. Pour rendre les polymères toujours plus performants il faut aussi savoir prendre son temps.