Bioplastique

Le terme bioplastique désigne des matériaux de deux types. Il s'agit, d'une part, de matières plastiques bio-sourcées (issues de la biomasse) et, d'autre part, de matières plastiques biodégradables (dont compostables), y compris issues de ressources fossiles (réactions pétrochimiques). Certains bioplastiques présentent les deux caractéristiques, bio-sourcés et biodégradables (voir typologie ci-dessous).

Salade vendue dans un emballage en bioplastique (acétate de cellulose).

European Bioplastics (qui peut être considéré comme une référence en matière de bioplastique) propose la définition suivante dans son glossaire : « les bioplastiques regroupent un grand nombre de matériaux et produits bio-sourcés, biodégradables/compostables, ou les deux » (« Bioplastics constitute a broad range of materials and products that are biobased, biodegradable/compostable, or both »[1]).

L'utilisation de bioplastiques, en lieu et place des plastiques issus des ressources fossiles (hydrocarbures), permet une réduction des rejets des gaz à effet de serre (comme le dioxyde de carbone, CO2) lors de la production. Les plantes ayant servi à la fabrication du bioplastique ont absorbé du CO2 pendant leur croissance (photosynthèse). Après leur utilisation, les bioplastiques vont restituer le carbone qu'ils contiennent sous forme de CO2, qui sera à nouveau capté par d'autres plantes. Le bilan carbone est neutre en théorie mais il faut prendre en compte les facteurs émetteurs de CO2 tels que les engrais ou l'énergie nécessaire à la transformation du matériau. La valorisation du bioplastique par le recyclage, le compostage ou même la combustion est aussi possible, ce qui permet de diminuer ces facteurs.

Les bioplastiques ne sont pas forcément biodégradables au sens des normes existantes. Leur intérêt provient essentiellement du caractère renouvelable des ressources utilisées pour leur fabrication. Bio-PE peut servir d'exemple d'un tel bioplastique, bio-sourcé (principalement issue de canne à sucre) et recyclable, il n'est pas biodégradable.

À l'inverse, il existe des bioplastiques d'origine pétrochimique, tels la polycaprolactone (PCL), qui sont biodégradables.

Les bioplastiques sont des polymères. Les procédés de production sont principalement l'injection et la thermocompression, on retrouve également le PLA dans le contexte de l'impression 3D où sa basse température de transition vitreuse devient un avantage.

Les composites bioplastiques utilisent des renforts et/ou résines d'origine bactérienne ou végétale. Ils sont une combinaison de résines thermoplastiques ou thermodurcissables et de renforts sous forme de poudres, fibres, tissus ou non-tissés.

Les plastiques biofragmentables ne sont pas des bioplastiques car ils ne sont ni bio-sourcés ni biodégradables.

Histoire

Le caoutchouc naturel a été découvert au XVIIe siècle. Il fait partie de la famille des élastomères (la grande famille des plastiques), le premier dans cette catégorie. Mais on considère que le premier plastique a été découvert en 1855 par Alexander Parkes et a été commercialisé sous le nom de Parkésine, le premier polymère (semi)synthétique commercialisé. Ce plastique a été produit à partir de cellulose traitée par de l'acide nitrique (nitrocellulose) et un solvant (huile animale, naphte végétale (extraite de bois) ou minérale. Le parkésine a été suivi par celluloïd, en 1869 la première usine destinée à la production de ce matériau thermoplastique a été ouverte par les frères Hyatt (USA). Le celluloïd a été composé essentiellement de nitrate de cellulose et de camphre. En 1893, Auguste Trillat (père de Jean-Jacques Trillat), un scientifique français, trouve le moyen d'insolubiliser la caséine (protéine du lait) en y rajoutant du formol qui garantit donc sa conservation. En 1897, la découverte est brevetée en Allemagne par Wilhelm Krischeet et le chimiste autrichien Adolf Spitteler (1846–1940) sous le nom de « Galalithe » également appelé « pierre de lait ».

L'histoire du bioplastique moderne (le terme n'existe toujours pas) continue au début du XXe siècle par l'invention de la cellophane en 1908 par l'ingénieur chimiste suisse Jacques E. Brandenberger, qui confia en 1917 l'exploitation de ses brevets à la société anonyme La Cellophane. Puis les bioplastiques se développent peu à peu durant le siècle. Durant cette-même période Henry Ford essaye de développer les matériaux plastiques non-alimentaires issue de surproduction agricole. En 1915 le modèle automobile Ford T intègre des éléments composites fabriqués à partir de fibres renforcées par une résine synthétique issue de gluten de blé. Puis, suite au boom pétrolier, les bioplastiques sont oubliés.

Depuis les années 2000 le marché du bioplastique est en croissance, forte au début du siècle, puis ralentie à cause de prix bas du pétrole, son concurrent principal. Ce retour du bioplastique est entraîné par la surexploitation du pétrole et les préoccupations environnementales (pollution et réchauffement climatique).

Les premiers « bioplastiques » (le terme n'existe pas encore à cette époque) ont été inventés pour répondre à des besoins humains avant l'application industrielle de la pétrochimie (voir l'historique des matières plastiques).

Applications

Les bioplastiques biodégradables sont utilisés notamment pour les articles jetables, comme les articles de conditionnement et de restauration (vaisselle, couverts, casseroles, bols, pailles). Ils sont également souvent utilisés pour les sacs de déchets organiques, où ils peuvent être compostés avec les déchets alimentaires ou verts. Certains bacs et conteneurs pour les fruits, les légumes, les œufs et la viande, des bouteilles pour boissons et de produits laitiers et des feuilles blister pour les fruits et les légumes sont fabriqués à partir de bioplastique.

Certains meubles sont également fabriqués avec ce composant, pour une durée de vie estimée à une vingtaine d'années[2].

Les bioplastiques non biodégradables sont plutôt réservés aux applications non jetables, telles que les boîtiers de téléphones mobiles, les fibres de moquette, les intérieurs de voiture, les conduits de carburant ainsi que les tuyaux en plastique. De nouveaux bioplastiques électroactifs sont développés pouvant être utilisés pour transporter le courant électrique[3].

Recherche

Les bioplastiques sont un sujet de recherche très actif dans la recherche fondamentale comme dans la recherche appliquée.

Une nouvelle branche de chimie, la chimie verte (depuis 1990) cherche à réduire et à éviter la pollution depuis sa source.

Sharp

En 2007, six brevets ont été déposés pour les techniques mises en œuvre par Sharp pour créer ce nouveau matériau. Le groupe Sharp a précisé : « Notre technique permet d'intégrer 30 % de plastique végétal dans un polystyrène. » Sharp a dit vouloir employer ce matériau aux vertus écologiques pour les caissons de ses appareils à partir de 2007.

Bioplastique à partir d’algues
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Les algues, déjà utilisées dans différents domaines tels que l’agroalimentaire ou la cosmétique, sont aujourd'hui considérées comme intéressantes pour leur utilisation dans les bioplastiques, ceci du fait de leur richesse en polymères. De plus, leur utilisation pourrait permettre de remédier au problème de prolifération de certaines algues le long des côtes.

Ce sont en général davantage les macroalgues que les microalgues qui sont utilisées dans la production de plastique car elles possèdent une biomasse plus importante et peuvent facilement être récoltées dans l’environnement naturel. Les algues utilisées peuvent être des algues rouges, brunes ou vertes mais il semblerait que davantage de travaux concernant les bioplastiques à partir d’algues aient été effectués avec des algues brunes ou rouges.

Les constituants des algues le plus souvent utilisés pour fabriquer du plastique biodégradable sont les polysaccharides. La paroi des algues est en effet riche en polysaccharides, représentant souvent plus de la moitié de la matière sèche des algues (entre 40 et 70 % selon les espèces). Mais l'exploitation industrielle des algues est essentiellement liée à l'extraction des polysaccharides de la phase matricielle de la paroi des algues : les phycocolloïdes. Ce sont des polysaccharides chargés négativement et ce sont eux qui vont permettre à la paroi d’avoir une certaine souplesse, élasticité. Ainsi on retrouve les agars et les carraghénanes dans les algues rouges tandis que les algues brunes contiennent les alginates et les fucanes. Certaines algues vertes peuvent également être riches en ulvanes.

Les compositions bioplastiques réalisées à partir d’algues sont produites par séchage des algues et broyage de celles-ci, puis généralement par mélange avec d'autres composants tels qu’un autre polymère naturel (ex : amidon), plastifiant, charge… Elles peuvent être ensuite utilisées sous forme de poudre ou de granulés afin de fabriquer des produits plastiques injectés, thermoformés, extrudés en bulles ou en gonflage.

Les bioplastiques produits à partir d’algues présentent divers avantages par rapport aux autres bioplastiques existant déjà (ex : bioplastique à base d’amidon de maïs) tel que le fait de ne pas entrer en compétition avec les terres pour la culture ou de ne nécessiter ni engrais, ni pesticides. En revanche ils peuvent être confrontés à différents problèmes comme une forte odeur ou une couleur prononcée dues aux algues.

Divers travaux continuent d’être effectués sur l'utilisation d’algues en tant que bioplastique et l’optimisation du processus de transformation. Cependant plusieurs entreprises se sont déjà lancées dans la réalisation de produits plastiques utilisant des algues telles que Algopack[4],[5], NaturePlast[6] et Eranova[7] en France ou en Nouvelle-Zélande.

Typologie

On peut diviser les bioplastiques en trois grands groupes, chacun possédant ses propres caractéristiques[8] :

  1. Bio-sourcés, non-biodégradables, comme le polyéthylène bio-sourcé (PE ou Bio-PE) ou les polymères de performance technique bio-sourcés, comme les polyamides (PA), ou les polyuréthanes (PUR) bio-sourcés[9] ;
  2. Bio-sourcés et biodégradables, comme l'acide polylactique (PLA), les polyhydroxyalcanoates (PHA), le poly(butylène succinate) (PBS), ou d'autres polymères à base d'amidon ;
  3. D'origine fossile et biodégradables, comme le polybutylène adipate terephthalate (PBAT).

Acide polylactique (PLA)
Boîte en PLA.

Le PLA (acide polylactique) est le bioplastique le plus commercialisé. Sa production industrielle nécessite l'usage de biotechnologies avancées. Son utilisation intervient dans différents secteurs, de l'emballage à la chirurgie. Le PLA est un bioplastique biodégradable. Par rapport aux plastiques issus de pétrole, le PLA est plus cher en moyenne (3–4 euros le kilogramme) et ses propriétés techniques sont moindres par rapport aux plastiques traditionnellement issus du pétrole. Comme les plastiques traditionnels issus du pétrole ont bénéficié de décennies d'améliorations techniques par rapport à des polymères relativement récents tels que le PLA, les propriétés des formulations de PLA pourront être améliorées. Une barrière technique pour le développement du PLA est également le fait que les équipements des plasturgistes sont conçus pour les plastiques pétrochimiques. Les équipements adaptés au PLA nécessitent des investissements.

Poly-3-hydroxybutyrate (PHB)

C'est un PHA (polyhydroxyalcanoate) biodégradable issu de bactéries.

Polyamide 11

Le polyamide 11 (PA 11) est issu de l'huile de ricin. Il s'agit d'un polyamide haute performance. Son coût étant élevé, il n'est pas amené à devenir un substitut à large échelle des plastiques dérivés de pétrole, mais à les remplacer pour les applications dans lesquelles ses performances techniques sont recherchées. Il est fabriqué notamment par la société Arkema, sous le nom de Rilsan (marque déposée).

Polyéthylène biodérivé

Les polyéthylènes biodérivés actuels proviennent de la transformation de l'éthanol en éthylène, suivie de sa polymérisation. L'éthylène biosourcé est aussi appelé « bio-éthylène ». Il est commercialisé notamment par la société brésilienne Braskem. Comme les autres bioplastiques, le polyéthylène biosourcé est plus cher à produire que le polyéthylène issu de pétrole. Comme son homologue pétrochimique, il n'est pas biodégradable. Avec le développement des gaz de schiste aux États-Unis, l'éthylène peut être produit à partir d'éthane pour un coût largement inférieur à celui du procédé issu de naphta, une fraction légère du pétrole. De nombreux projets d'éthylène et de polyéthylène voient le jour aux États-Unis. Il est donc attendu un accroissement de la différence de prix entre polyéthylène biosourcé et polyéthylène issu de la pétrochimie. Comme le polyéthylène est largement utilisé dans l'emballage, les autres bioplastiques utilisés pour ces applications, comme le PLA, verront aussi leur différence de prix s'accentuer, malgré les améliorations de procédés.

Acétate de cellulose
Bouteilles en acétate de cellulose, biodégradables.

L'acétate de cellulose est un bioplastique ancien dérivé du bois ou du coton. Il est produit par réaction de la cellulose avec de l'acide acétique concentré. Ce plastique a remplacé la nitrocellulose inflammable et explosive dans les bobines de film pour le cinéma. De nos jours, il est utilisé dans les lunettes et les filtres à cigarettes. Il était utilisé dans les briques de Lego avant d'être remplacé par l'ABS. Ce plastique met un certain temps à se dégrader mais ne produit aucun résidu nocif pour l'environnement.

Autres bioplastiques en développement

Le développement de bioplastiques va de pair avec le développement de voies de synthèse de monomères biosourcés. La gazéification de la biomasse permettrait par exemple d'obtenir des composés aromatiques (benzène, paraxylène) à partir de bois, ouvrant à la voie à des polystyrènes ou PET biosourcés. D'autres voies de recherche concernent le développement de butadiène (par fermentation ou à partir d'éthanol), afin de produire des caoutchoucs synthétiques biosourcés (pneumatiques).

On peut également citer le PEF (poly(furanoate d'éthylène)) développé par Avantium et Coca-Cola, l'ABL qui est un dérivé de l'ABS où le polystyrène serait remplacé par de la lignine de l'Oak Ridge National Laboratory[10] ou le PFA (acide polyférulique)[11].

Plastiques biofragmentables

Les plastiques biofragmentables sont parfois dits « dégradables » mais leur dégradation se limite à une fragmentation en particules de petite taille, et ils ne sont pas bio-sourcés. Il ne s'agit pas de bioplastiques. Des additifs métalliques, y compris des métaux lourds comme le cobalt, fragilisent la structure moléculaire de la matière dans certaines conditions, de sorte que ces plastiques se fragmentent en particules invisibles à l'œil nu. Une fois fragmentés dans la nature, les fragments ne peuvent plus être collectés et sont ingérés par les petits animaux (poissons, insectes, etc.) ou s'accumulent dans la nature. Plusieurs organismes luttent pour l'interdiction de ces plastiques en Europe.

Impact environnemental
Emballage de bonbon en PLA.
Pailles en PLA.

La production et l'utilisation des bioplastiques est généralement considérée comme une activité durable en comparaison avec la production de plastique à partir du pétrole, car elle repose moins sur des combustibles fossiles comme source de carbone et induit également moins d'effet de serre net lors de la biodégradation. Elles réduisent aussi considérablement la diffusion de déchets dangereux causés par des matières plastiques dérivées du pétrole, qui restent solides pendant des centaines d'années, et ouvrent ainsi une nouvelle ère dans les technologies de l'emballage et l'industrie[12]. Néanmoins l'Anses recommande la prudence quant à l'écotoxicité de ces matériaux en fin de vie.

Cependant, la fabrication de ces matériaux bioplastiques est encore souvent dépendante du pétrole comme source d'énergie et de matériaux et les analyses cycles de vie sont fluctuantes quant au bénéfice environnemental. Il s'agit notamment de l'énergie nécessaire aux machines agricoles ainsi qu'à l'irrigation des cultures, de la production d'engrais et de pesticides, du transport des produits végétaux aux usines de transformation, de la transformation des matières premières, et, finalement, de la production du bioplastique, bien que des énergies renouvelables puissent également être utilisées pour arriver à l'indépendance pétrolière.

Le fabricant italien de bioplastique Novamont indique dans son propre rapport d'audit environnemental que la production d'un kilogramme de son produit à base d'amidon utilise 500 g de pétrole et consomme près de 80 % de l'énergie nécessaire pour produire un polymère de polyéthylène traditionnel[réf. nécessaire]. Les données environnementales de NatureWorks[13], le seul fabricant commercial d'APL (acide polylactique), avancent que la fabrication de son matériau plastique offre une économie de combustible fossile de 25 à 68 % par rapport au polyéthylène, en partie grâce à son achat de certificats d'énergie renouvelable pour son usine de fabrication.

Une étude détaillée du processus de fabrication d'un certain nombre d'articles d'emballage communs à plusieurs matières plastiques traditionnelles et acide polylactique réalisée par Franklin Associates et publiée par l'Athena Institute montre que certains bioplastiques engendrent moins de dégâts pour l'environnement, mais que d'autres en engendrent plus[14]. Cette étude ne considère cependant pas la fin de vie des produits, et ignore donc les émissions de méthane des plastiques biodégradables qui peuvent survenir dans une décharge.

Alors que la production de la plupart des bioplastiques émet moins de dioxyde de carbone que les alternatives traditionnelles, il existe des préoccupations réelles sur le fait que la création d'un réseau mondial de bioéconomie pourrait contribuer à une accélération du taux de déforestation s'il n'est pas géré efficacement[réf. nécessaire]. Il existe également des préoccupations liées à l'impact sur l'approvisionnement en eau et l'érosion des sols. D'autres études ont montré que les bioplastiques conduisent à une réduction de 42 % de l'empreinte carbone[15].

Cependant, le bioplastique peut aussi être issu de sous-produit agricoles[12] ou de bouteilles en plastique et autres récipients usagés, à l'aide de micro-organismes[16].

Biodégradation
Emballage en coussin d'air fait en PLA.

La terminologie utilisée dans le secteur des bioplastiques est parfois trompeuse. La plus grande partie de l'industrie utilise le terme de bioplastique pour désigner un plastique issu d'une source biologique. Un des plus anciens films plastiques de cellulose est fabriqué à partir de cellulose de bois. Tous les plastiques (bioplastiques et pétroplastiques) sont techniquement biodégradables, ce qui signifie qu'ils peuvent être dégradés par les microbes dans des conditions appropriées. Cependant, de nombreux se dégradent à un rythme trop lent pour être considérés comme biodégradables. Certains plastiques d'origine pétrochimique sont considérés comme biodégradables, et peuvent être utilisés comme additifs pour améliorer la performance de nombreux bioplastiques commerciaux[réf. nécessaire]. Les bioplastiques non biodégradables sont appelés durables. Le degré de biodégradation varie avec la température, la stabilité du polymère, et la teneur en oxygène. Par conséquent, la plupart des bioplastiques ne feront que se dégrader dans les conditions strictement contrôlées d'unités de compostage industriel. Dans les tas de compost privé ou tout simplement dans l'eau ou le sol, la plupart des bioplastiques ne se dégradent pas, c'est le cas du PLA par exemple. Les bioplastiques à base d'amidon peuvent, eux, se dégrader dans les conditions naturelles[17] mais sont destinés au compostage industriel. La norme européenne EN 13432, définit la vitesse et dans quelle mesure un plastique doit être dégradé dans des conditions de compostage industriel. Elle est définie uniquement pour les conditions agressives d'une unité de compostage commercial. Il n'existe à ce jour aucune norme applicable aux conditions de compostage domestique.

Le terme « plastique oxobiodégradable » est utilisé et décrit dans un document CEN (comité de normalisation européen no 153551). Il décrit le processus qui conduit un produit pétrochimique ou issu de canne a sucre spécialement additivés à la biodégradation après oxydation. Avec l'ajout d'un initiateur de dégradation de la matière plastique, il est possible de réaliser un processus contrôlé de désintégration sous l'effet de la chaleur et UV/oxydation. Ce type de plastique peut être appelé « plastique dégradable » ou « plastique oxobiodégradable », ou « plastique photodégradable » car le processus n'est pas initié par l'action microbienne. Ces matériaux ne répondent pas aux exigences de la norme de compostage industriel EN 13432 mais en revanche se dégradent facilement en petits fragments en cas d'abandon dans l'environnement. L'industrie des bioplastiques issus de ressources renouvelables a largement critiqué les plastiques oxobiodégradables, dont l'association du secteur dit qu'ils ne répondent pas aux exigences de la norme EN 13432. Ceci n'est pas démenti par les producteurs de plastiques oxobiodégradables[18] du fait que leur objectif n'est pas le compostage mais l'élimination de la pollution visible liée au plastique abandonné dans l'environnement. De plus le processus d'oxydation nécessaire avant la biodégradation n'est pas référencé dans la norme EN 13432.

Un référentiel de tests de l'AFNOR définissant l'oxobiodégradabilité d'un film plastique a été publié en mars 2012 et est disponible sur le site de l'AFNOR sous la référence AC T51-808[19].

Notes et références
  1. (en) « Bioplastics Glossary », European Bioplastics e.V. (consulté le ).
  2. Véronique Lorelle, « Kartell, le pionnier du plastique, lance la chaise biodégradable », Le Monde, (consulté le ).
  3. (en) Agricultural Research Service, « Bioplastics Flex Their Electronic Muscles », sur ScienceBlog, .
  4. [vidéo] La révolution plastique de la France - earthrise sur YouTube, mise en ligne le par Al Jazeera English ; entretien avec David Coti, président d'Algopack, à partir de 2 min 20 s.
  5. Ouest-France, Innovation. Algopack transforme les sargasses en plastique à Saint-Malo, 20/11/2018
  6. L'Usine Nouvelle, , 01/11/2020
  7. Les Échos, Eranova va produire du plastique à base d'algues en Provence, 07/01/2021
  8. (en) « Bioplastics : Facts and figures » [PDF], European Bioplastics,
  9. Sylvie Latieule, « Anellotech ouvre la voie du PU à 100 % biosourcé », sur formule-verte.com, .
  10. (en) Chau D. Tran, Jihua Chen, Jong K. Keum et Amit K. Naskar, « A New Class of Renewable Thermoplastics with Extraordinary Performance from Nanostructured Lignin-Elastomers », Advanced Functional Materials, vol. 26, 25 avril 2016, pp. 2677-2685 [présentation en ligne]
  11. (en) Poly(dihydroferulic acid) a biorenewable polyethylene terephthalate mimic derived from lignin and acetic acid and copolymers thereof - Google Patents, US 20150274883 A1
  12. (en) ODTÜ invents eco-friendly plastic - Bioplastics24.com (voir archive)
  13. (en) NatureWorks LLC Announces World's First Greenhouse-Gas-Neutral Polymer - NatureWorks LLC, 26 septembre 2005 (voir archive)
  14. Franklin Associates, « Life cycle inventory of five products produced from polylactide (PLA) and petroleum-based resins », sur Athena Sustainable Materials Institute, .
  15. (en) Bio-plastics: 42% Reduction in Carbon Footprint - Bioplastics24.com (voir archive)
  16. (en) Bioplastics of the Future - Bioplastics24.com (voir archive)
  17. EOS magazine, octobre 2009
  18. www.OPA.org
  19. « AC T51-808 Mars 2012 », Afnor (consulté le ).

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