MatériauxLES PLASTIQUES ULTRAPERFORMANTS S'IMPOSENT PEU À PEUDans l'automobile, l'électronique, l'aéronautique ou la pile à combustible, les plastiques à hautes performances jouent de nouvelles cartes. Mais la lenteur des développements et leur prix handicapent encore ces matières.

Publié le | L'Usine Nouvelle n° 2812

Matériaux

LES PLASTIQUES ULTRAPERFORMANTS S'IMPOSENT PEU À PEU

Dans l'automobile, l'électronique, l'aéronautique ou la pile à combustible, les plastiques à hautes performances jouent de nouvelles cartes. Mais la lenteur des développements et leur prix handicapent encore ces matières.



Les plastiques à hautes perfor-mances n'ont pas en ce moment la vie facile. Le retard pris par l'automobile dans ses développements, les mésaventures de Moulinex, le coup d'arrêt brutal qu'a connu la téléphonie, ou les avions qui sortent au compte-gouttes des ateliers d'Airbus ou de Boeing, ont pénalisé l'an dernier les PPS, PEEK, polymères à cristaux liquides (LCP) ou autres " superpolyamides ", ces stars des plastiques techniques que l'industrie adopte dans les environnements extrêmes. " Nous sommes passés brutalement d'une situation où nous avions du mal à livrer notre PPS et nos polymères à cristaux liquides (LCP) aux fabricants de portables qui tiraient le marché à un coup d'arrêt brutal ", se rappelle Pascal Chenu, chef de marché chez Ticona, la division plastiques techniques du groupe allemand Celanese. Pourtant, les chimistes gardent le moral. Ticona, qui a investi en 2001 plus de 100 millions d'euros en nouvelles capacités, assure qu'aux Etats-Unis le projet d'un site de production supplémentaire de 4 500 tonnes par an de LCP est maintenu. " Les ventes de nos polymères à hautes performances devraient connaître une croissance moyenne de 12 à 13 % d'ici à 2005-2007 ", estime Pascal Chenu. Même optimisme chez le producteur suisse du superpolyamide PPA EMS-Chemie ou chez l'américain Chevron Phillips Petroleum, principal concurrent de Ticona sur le PPS. Ils tablent tous deux sur un doublement rapide de leurs ventes. " Elles pourraient atteindre 12 000 tonnes en Europe d'ici à six ans. Et nous avons toujours le projet d'ouvrir une deuxième usine, en Europe cette fois, car il est clair que la production de PPS sera insuffisante d'ici à 2006-2007 ", affirme Dominique Rion, directeur commercial en Europe de l'activité PPS.

Un potentiel généré par les avancées technologiques

Si les principaux acteurs du marché, les DuPont de Nemours, GE Plastics, Ticona, Solvay et autres Victrex ou Chevron Phillips gardent ainsi le cap, c'est que le temps joue en faveur de leurs matières. Dans presque toutes les industries, on assiste en effet à un durcissement des contraintes subies par les matériaux. Les nouveaux besoins de tenue en température, d'allègement, de résistance aux fluides, de capacité barrière ou de miniaturisation des fonctions ouvrent des perspectives aux plastiques à hautes performances. Ils profitent aussi de l'avancée de technologies, notamment dans l'automobile et l'industrie électronique, grosses consommatrices de polymères. Dans l'automobile, jusqu'ici réticente à adopter les plastiques à hautes performances à cause de leur prix, la donne est ainsi en train de changer. L'arrivée des nouveaux moteurs Diesel à injection directe et le confinement sous capot moteur font grimper la température. L'augmentation de la pression entraîne un échauffement. Et, à la sortie du turbo, la température avoisine 150 ° à 160 °C, c'est-à-dire la limite des polyamides, la matière de la plupart des pièces en plastique dans l'environnement moteur. Or les motoristes veulent encore augmenter les performances. " Nous sommes à la croisée des chemins, car nous nous retrouvons face à de nouveaux développements qui risquent d'entraîner de telles contraintes thermiques qu'il faudra passer d'ici à deux ou trois ans à des matières plus performantes ", prévoit Laurent Béchu, responsable des polymères pour pièces mécaniques de PSA - pour faciliter le recyclage, les superpolyamides tiennent la corde. Un saut technologique, qui profite aux matières à hautes performances, se profile aussi dans l'électronique. La soudure au plomb des composants sera en effet bannie d'Europe d'ici à 2008 - c'est déjà le cas au Japon -, ce qui implique l'utilisation d'alliages d'étain ou d'argent notamment. " Il en résulte une augmentation de température d'une quarantaine de degrés. Il faudra que les matériaux utilisés soient capables de supporter quelques secondes des températures voisines de 280 à 300 °C ", indique Philippe Albrieux, P-DG du vendeur d'équipements électroniques CIF Athelec. Une aubaine pour les PEEK ou certains polymères à cristaux liquides - utilisés comme supports de puce -, qui peuvent supporter en pointe des températures de 300 °C. " Nous avons démarré l'an dernier au Japon la production d'un grade de LCP dédié à ces applications ", indique Cédric Bourgeois, ingénieur de développement chez Ticona. A plus long terme, des marchés importants devraient s'ouvrir. " Je mets la pression sur mes équipes pour développer des pièces en composites thermoplastiques, à base de préimprégnés de PEEK, PPS ou polyétherimide, pour concurrencer les thermodurcissables et l'aluminium ", indique Jacques Hognat, chef du département matériaux et procédés d'EADS. L'an dernier, une pièce a fait fureur : le bord d'attaque d'aile de l'A340-600 développée pour Airbus par Ten Cate Advanced Composites (Pays-Bas) à partir d'un composites en PPS et fibres de verre continues. Une première pour les thermoplastiques sur une pièce de fuselage de cette importance, qui sera reconduite sur le gros-porteur A380. " Pour l'instant, nous nous intéressons plus à la faisabilité de ces nouvelles solutions qu'à leur coût. Mais les besoins d'allègement sont tels qu'on pense déjà à réaliser d'ici à cinq ou dix ans le fuselage entier de gros-porteurs en composites thermoplastiques ", indique le patron des matériaux d'EADS. Une autre perspective à moyen et long terme fait vibrer certains chimistes : l'avènement de la pile à combustible, qui devrait équiper d'ici à cinq ans les premiers véhicules tests dans l'automobile, pour être compétitive dans une dizaine d'années. Mais les applications fixes décolleront plus vite - le fabricant allemand de chaudières Vaillant compte installer 100 000 minicentrales domestiques d'ici à 2010. Et les producteurs de PEEK, de LCP ou de PPS, les matières qui ont la résistance thermique, chimique et mécanique ainsi que la stabilité dimensionnelle requises pour fabriquer les membranes et les châssis de ces piles, travaillent déjà tous d'arrache-pied.

Un développement au détriment des métaux

" C'est un marché à fort potentiel sur lequel chacun cherche encore sa solution. Nous nous sommes associés en 2000 avec le fabricant de piles à combustible canadien Ballard Power System pour développer et produire un ionomère pour membrane ", indique Jérôme Viala, responsable pour le marché français du fabricant de PEEK Victrex. Sur ces nouveaux débouchés comme sur les applications plus traditionnelles, l'avancée des polymères à hautes performances va continuer à se faire principalement au détriment des métaux. " La substitution des pièces en alliage moulé sous pression est le principal levier du développement du PPA, avec des réductions de coût de 30 à 50 % par rapport aux pièces en zamac, aluminium ou laiton, quand, sur ces pièces, il y a des reprises d'usinage ou d'assemblage, voire un traitement anticorrosion ", indique Bernard Dufour, P-DG d'EMS-Chemie en France. Virax, la filiale du groupe Facom spécialisée dans les outils pour plomberie, a, par exemple, abandonné l'aluminium moulé pour le PPA sur ses cintreuses de tubes. L'amélioration des matières, en jouant sur les charges et les additifs, offrent encore des marges de manoeuvre. " Nous continuons de travailler à de nouveaux grades de PPS capables d'évacuer plus rapidement la chaleur pour substituer l'aluminium, naturellement bon conducteur, sur de nouvelles applications, des boîtiers électriques, par exemple ", indique Dominique Rion, de Chevron Phillips Petroleum. Dow, qui a lancé industriellement en 2000 une nouvelle ma- tière, le polystyrène syndiotactique (SPS) - un polymère issu de la synthèse catalocène - fait des pieds et des mains pour développer ses marchés. " Après avoir commercialisé la matière non chargée, nous avons développé des grades chargés de fibres de verre et d'additifs, puis des alliages, avec du polyamide notamment ", explique Pierre Juan, " market manager " en Europe. Ses nouvelles propriétés permettent au SPS d'at- taquer, cette fois, non plus le métal, mais d'autres plastiques, le PBT notamment sur l'appareillage électrique. Dans la lutte que se livrent entre eux les matériaux, les plastiques à hautes performances ont donc beaucoup d'atouts. " Mais ils s'imposent assez lentement, car ils viennent en substitution d'applications techniques, donc longues à valider et nécessitant une profonde reconception des produits ", relève Jean-Louis Vaysse, directeur de la recherche-développement du groupe Plastic Omnium, l'un des plus gros consommateurs en France de plastiques à hautes performances à travers ses filiales Plastic Omnium Médical et 3P. Et la spécification des matières dans l'aéronautique, la pétrochimie ou l'automobile notamment est un travail de longue haleine. " Il faut dix ans pour lancer un nouveau matériau ", se désole Dominique Rion.

Des prix qui devront inévitablement baisser

Cette lenteur des développements n'est pas le seul frein à une utilisation plus démocratique des polymères à hautes performances. Leurs prix, qui tournent autour de 6 euros le kilo pour les polymères présentés à l'industrie de l'automobile pour des applications sous capot moteur (deux fois plus qu'un simple polyamide) et qui atteignent 100 euros le kilos pour le PEEK, sont bien souvent leur principal handicap. " Nous viendrons aux plastiques à hautes performances, mais au coup par coup, quand nous serons bloqués sur nos solutions standards, car ces matières sont encore trop chères ", prévient Laurent Béchu, de PSA. " Etant donné la compétition entre les avionneurs, il faudra que le prix des résines thermoplastiques baissent quand les volumes augmenteront ", estime aussi Jacques Hognat, d'EADS. De quoi faire réfléchir les chimistes : s'ils veulent faire sortir les stars du plastique des applications étroites qui ont assis leur réputation, mais où le prix compte finalement assez peu devant la performance, il leur faudra faire de gros efforts industriels.



Leurs caractéristiques

Les plastiques à hautes performances offrent des résistances thermiques (une tenue remarquable à des températures de 150 à 300 °C), mécaniques, et aux produits chimiques (acide, essence...), voire même au feu.

Leur prix reste élevé : de 6 euros le kilo, il peut atteindre 100 euros le kilo pour les polymères les plus élaborés.

Ce qui les distingue

Les préférés de l'automobile sous capot Les superpolyamides, les polysulfures de phénylène.

Les polyvalents (de l'électronique à l'électroménager et l'emballage), les polysulfones, le polystyrène, syndiotactique.

Les champions des applications extrêmes Les polymides, le polyétheréthercétone, les polymères à cristaux liquides, le polytétrafluoropolymère.

Leur marché

situés sur des marchés de niche, la consommation des différents plastiques à hautes performances varie de quelques milliers à quelques dizaines de milliers de tonnes seulement.

Les ventes sont estimées à 300 000 tonnes pour un chiffre d'affaires d'environ 4 milliards d'euros.

Les principaux producteurs

Chevron Phillips Petroleum, DuPont de Nemours, GE Plastics, Solvay, Victrex, Ticona, BASF, Dow Chemicals, DSM, EMS Chemie.



Des réponses à des contraintes de plus en plus exigentes

La résistance thermique

Les supports de puce de ces boîtiers de circuits imprimés sont en polymère à cristaux liquides (LCP). Ce plastique a été retenu pour sa fluidité, mais, surtout, pour sa résistance thermique : il peut supporter des températures de 300°C lors des opérations de soudure.

La miniaturisation

Les prises coaxiales de ces téléphones portables sont en polyétheréthercétone (PEEK). Très résistante mécaniquement, cette matière a permis de réduire à 3 millimètres l'épaisseur de ces composants destinés à être montés entre deux cartes de circuits imprimés.

L'allègement

Le bord d'attaque d'aile de l'A340-600 est réalisé en polysulfure de phénylène (PPS), renforcé de fibres de verre continues. Ce matériau s'est imposé pour sa très grande stabilité dimensionnelle. Résultat : un gain de poids de 20 % par rapport au composite aluminium nid-d'abeille classique.



UNE MONTÉE EN PUISSANCE DANS L'AUTOMOBILE

Quand on met le nez dans le moteur d'un des derniers modèles de PSA, de Renault ou de n'importe quelle marque européenne, un constat s'impose. Répartiteur d'air, couvre-culasse, canalisation ou boîtiers papillon, en périphérie du moteur, la plupart des pièces sont déjà passées du métal au plastique. Deux matières se sont taillé la part du lion, pour des questions de coût et de recyclage : le polypropylène chargé de fibres de verre, lorsque la température ne dépasse pas 110 ° C en continu. Au-delà et jusqu'à des températures de 150 à 160 °C, les polyamides (6, 6.6, 11 ou 12) prennent le relais, poussés aujourd'hui dans leurs derniers retranchements par l'évolution des motorisations. " Mais, en ce qui concerne l'environnement moteur, les polymères classiques ont fait à peu près le plein de ce qui leur était accessible ", juge Laurent Béchu, responsable des polymères pour pièces mécaniques de PSA. Et il n'apparaît pas possible, pour des raisons thermiques, de leur ouvrir le coeur du moteur. Les carters, vilebrequins, bielles resteront en aluminium et en acier. C'en est-il pour autant fini de la progression importante qu'ont connue les matières plastiques sous capot moteur, principal débouché des plastiques techniques et à hautes performances dans l'automobile ? " Les prochaines grandes avancées des plastiques auront lieu d'ici à cinq ou dix ans au niveau de la liaison au sol, c'est-à-dire la suspension, le freinage ou la direction. Pour l'instant, cela balbutie, mais tous les constructeurs suivent cela de très près ", note le Monsieur Plastiques de PSA. Des leviers de vitesses et des pédales d'embrayage ou d'accélérateur, en polyamide principalement, équipent déjà des véhicules. Mais la pédale de frein est restée, elle, métallique. " Il reste des barrières psychologiques et des réticences à lever sur les pièces de sécurité ", admet Laurent Béchu. Il reste surtout un gros travail à faire sur le calcul et la modélisation de pièces qui seront fortement sollicitées mécaniquement. Sur ce point, les plastiques sont encore très en retard sur les métaux.



LE PARCOURS DU COMBATTANT DES NOUVEAUX POLYMERES

Il faut dix à quinze ans et des centaines de millions de dollars pour développer et commercialiser une nouvelle matière ! Une opération à haut risque, car les marchés sont étroits et difficiles à élargir.


Mettre sur le marché un nouveau polymère à hautes performances tient presque de la gageure. Les derniers à s'y être risqués - Dow avec son polystyrène syndiotactique Clestra, et Ticona avec son cyclooléfine copolymère Topas, deux matières lancées industriellement en 2000 - connaissent des difficultés. " Il n'est pas évident d'avoir un retour sur investissement suffisant quand on lance un produit, étant donné la lenteur des spécifications et l'inertie du marché ", explique Pierre Juan, " market manager " pour l'Europe du Clestra. " Pour l'instant, un an après la construction de l'usine, Topas reste un gouffre. Sortir une matière nouvelle est un pari sur l'avenir ", avoue-t-on chez Ticona. Le naufrage du Carilon, le polycétone aliphatique arrêté par Shell en 2000, après à peine cinq ans d'existence commerciale, est encore dans tous les esprits. Le groupe anglais n'a pourtant pas lésiné, déposant plus de 300 brevets pour conforter son matériau et améliorer son procédé de polymérisation. " On assistait à un événement rare, le décollage d'un nouveau grand polymère technique. Mais Shell a voulu rentabiliser sa matière trop vite. Il est passé à côté de marchés prometteurs, car, peu après son retrait, les exigences liées à l'arrivée du "common rail" lui aurait ouvert les portes de l'automobile ", se rappelle aujourd'hui un constructeur.

Plusieurs chimistes ont déjà baissé les bras

Pour les producteurs de plastiques à hautes performances, il est difficile de briser un cercle vicieux. " Le développement et le lancement d'un nouveau polymère demande dix à quinze ans et un investissement de plusieurs centaines de millions de dollars. Or les marchés de ces matières sont étroits (seulement quelques milliers de tonnes par an pour le PEEK de Victrex) et difficiles à élargir, ce qui rend les coûts fixes prohibitifs ", analyse Eric Noyrez, directeur de l'activité automobile de Rhodia Engineering Plastics. Conséquence, les plastiques à hautes performances sont souvent trop coûteux et ils ne sont utilisés que lorsque toutes les autres solutions ont été épuisées. C'est le cas dans l'automobile. " L'un des problèmes est qu'il n'y a pas encore de véritable prix de marché avec ces nouvelles matières. Et les producteurs ont du mal à comprendre que, dans l'automobile, beaucoup de développements sont conditionnés par les prix ", explique Laurent Béchu, responsable des polymères pour pièces mécaniques chez PSA. Du coup, certains polymères, apparus dans les années 70 ou 80, vivotent encore. Et leur survie n'est pas toujours assurée. " Les matières qui n'ont qu'un seul producteur sont les plus fragiles. Certaines sont condamnées à terme. Elles disparaîtront lorsque l'outil de production sera obsolète ", pronostique Eric Noyrez. Plusieurs chimistes ont déjà arrêté les frais. Hoechst a stoppé son PEEK il y a dix ans. Bayer et Ciba Geigy se sont retirés du PPS dès le milieu des années 90, et GE Plastics de la scène européenne pour cette matière. " Les ventes de PPS ont triplé en dix ans, pour atteindre 10 000 tonnes en Europe, mais ce n'était pas suffisant pour nourrir tout le monde ", commente Dominique Rion, directeur commercial Europe de l'activité PPS de Chevron Phillips Petroleum. Ph. D



Une poignée d'acteurs

Le marché des polymères à hautes performances reste très émietté. Beaucoup plus que ceux des plastiques de commodité (PP, PVC, PE,...) ou des polymères techniques (PA, PBT, PC, ...). Mais les regroupements s'accélérent. En juillet, Chevron et Phillips ont fusionné leurs activités de plastiques techniques. Et Solvay a accompli un virage stratégique en échangeant son polypropylène contre les plastiques à hautes performances de BP. " On voit se profiler des spécialistes qui travailleront particulièrement le secteur des matières à hautes performances ", observe Claude Alfonsi, directeur de la division polymères de Bayer en France. Entre les GE Plastics, DuPont de Nemours, Ticona et Solvay, qui mènent la danse, la course est lancée. C'est à celui qui rassemblera les meilleures cartes.

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