Biopolymères : Propriétés, traitement et applications

Les biopolymères sont des polymères naturels, qui sont produits par des organismes vivants. Ils se distinguent des polymères synthétiques biodégradables.

On s’inquiète de plus en plus des impacts négatifs de la pollution environnementale due aux combustibles fossiles et aux déchets des produits pétrochimiques. De nombreuses recherches ont été menées pour explorer d’autres alternatives aux produits à base de pétrole, qui seraient renouvelables ainsi que biodégradables et poseraient donc un moindre risque pour l’environnement. Les biopolymères sont l’une de ces solutions possibles au problème, car il s’agit généralement de matériaux biodégradables obtenus à partir de matières premières renouvelables. Il convient toutefois de noter que tous les polymères biodégradables ne sont pas des biopolymères (c’est-à-dire produits à partir de ressources renouvelables). Comme on peut s’y attendre, il existe des défis liés aux biopolymères tels que leur taux de production limité, leur coût de production et l’adéquation de leurs propriétés.

Certains des premiers biomatériaux modernes fabriqués à partir de biopolymères naturels comprennent le caoutchouc, le linoléum, le celluloïd et la cellophane. Ces deux derniers sont fabriqués à partir de la cellulose, qui est le biopolymère le plus abondant à l’état naturel et la matière organique la plus abondante sur Terre, constituant un tiers de toute la matière végétale. Depuis le milieu du XXe siècle, ces biopolymères fabriqués par l’homme ont pratiquement tous été remplacés par des matériaux issus de la pétrochimie. Cependant, en raison des préoccupations écologiques croissantes, les biopolymères bénéficient d’un regain d’intérêt de la part de la communauté scientifique, du secteur industriel et même de la politique.

Dans cet article, vous découvrirez :

• Les propriétés des biopolymères
• La production et le traitement des biopolymères
• Les applications des biopolymères
• Exemples de biopolymères
• L’a… avenir des biopolymères

Propriétés des biopolymères

Le principal intérêt des biopolymères est de remplacer de nombreux articles de la vie quotidienne qui sont fabriqués à partir de produits pétroliers. Cela signifie qu’ils devront présenter des propriétés similaires, voire meilleures, que les matériaux qu’ils remplacent, afin de les rendre adaptés aux diverses applications auxquelles ils seront soumis. La plupart des mesures des propriétés des biopolymères varient en raison de facteurs tels que le degré de polymérisation, le type et la concentration des additifs et la présence de matériaux de renforcement. L’information sur les propriétés des biopolymères n’est pas aussi étendue que pour les polymères traditionnels, mais il y a toujours une profondeur considérable d’investigation sur leurs propriétés physiques, mécaniques, thermiques…

Certains biopolymères ont été identifiés pour posséder une conductivité électronique et ionique et ont donc été appelés biopolymères électro-actifs (EABP). Cela leur a donné le potentiel de remplacer d’autres matériaux synthétiques. Ces biopolymères, qui comprennent l’amidon, la cellulose, le chitosan et la pectine, présentent une conductivité électrique très étendue, comprise entre 10-3 et 10-14 S/cm .

Tableau 1. Propriétés physiques, mécaniques et thermiques de quelques biopolymères commerciaux.

(Vous pouvez également comparer ces matériaux visuellement sur la page de comparaison de Matmatch)

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Biopolymère	Densité à 20 °C	Résistance à la traction à 20 °C	Module de flexion à 20 °C	Point de fusion	Elongation à 20 °C
PLA Luminy® LX530	1.24 g/cm³	50 MPa	N/A	165 °C	5 %
TYÜP BMF 990	1.26 – 1.3 g/cm³	40 MPa	N/A	110 – 120 °C	300 %
NuPlastiQ®BC 27240	1.3 g/cm³	12MPa	0.24 GPa	140 – 160 °C	272 %
Extrudr Filament de bois	1.23 g/cm³	40 MPa	3.2 GPa	150 – 170 °C	N/A
EVO 719	1.3 g/cm³	40 MPa	2 GPa	140 °C	30 %
Injicera CHX 0113	1.11 g/cm³	14 MPa	0.48 GPa	165 °C	59%
CR1 1013	1.1 g/cm³	9 MPa	4.43 GPa	132 °C	89 %

La production et le traitement des biopolymères

Il existe de nombreuses méthodes et techniques différentes utilisées pour produire des biopolymères. Comme la plupart de ces polymères existent déjà dans la nature ou sont produits par des organismes naturels, ces procédés relèvent souvent de l’extraction suivie de la synthèse. Ils peuvent inclure une combinaison de l’un des procédés suivants : fermentation, filtration, compoundage/granulation, hydrolyse, estérification, polycondensation, oxydation et déshydratation. On trouvera ci-dessous un exemple de procédé de fabrication du polybutylène succinate (PBS).

Figure 1. Voie de procédé pour la production de polybutylène succinate (PBS) avec de l’acide succinique biosourcé (PBS bb SCA) .

Applications des biopolymères

Les biopolymères sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles ainsi que dans les emballages alimentaires, les cosmétiques et la médecine . Ils peuvent remplacer les plastiques traditionnels à base de pétrole dans de nombreuses applications. Certains biopolymères ont également été appliqués à des utilisations spécifiques auxquelles les autres plastiques ne conviendraient pas, comme dans la création de tissus artificiels. Ces applications peuvent nécessiter des matériaux biocompatibles et biodégradables, sensibles aux changements de pH ainsi qu’aux fluctuations physico-chimiques et thermiques .

Les biopolymères, en général, présentent souvent des propriétés mécaniques, une résistance chimique et une aptitude au traitement médiocres par rapport aux polymères synthétiques. Pour les rendre plus adaptés à des applications spécifiques, ils peuvent être renforcés par des charges qui améliorent considérablement ces propriétés. Les biopolymères qui ont été renforcés de cette manière sont appelés composites biopolymères. Le tableau ci-dessous est un résumé de certains composites biopolymères courants, de leurs propriétés et des industries dans lesquelles ils sont déjà largement utilisés.

Tableau 2. Résumé des méthodes de production, des propriétés et des applications des composites biopolymères .

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Matrice/charge	Méthode de production	Propriétés	Applications
PLA/PEG/Chit	Extrusion	Faible rigidité/ . Haute flexibilité	Orme& implants dentaires emballages alimentaires
PLA/Cellulose	Extrusion/injection	Amélioration de la rigidité &biodégradabilité	Emballage, automobile
PLA/Pulpe de pomme de terre	Extrusion/injection	Faible rigidité & ductilité, bonne transformabilité	Emballage alimentaire
PLA/MgO	Coulée en solution	Stabilité et bioactivité accrues	Implants médicaux, ingénierie tissulaire, dispositifs orthopédiques
Fibres de PHB/sciure de bois	Extrusion	Amélioration de la dégradation dans le sol	Agriculture ou pépinière
PHBV/TPU/cellulose	Extrusion/injection	Résistance à la chaleur équilibrée, rigidité, et ténacité	Emballage alimentaire, ingénierie tissulaire
Nanocellulose/CNT	Moulage par coulée	Bonne conductivité électrique	Supercondensateur, capteurs
Caoutchouc/amidon de pomme de terre	Mélange de rouleaux	Vieillissement thermique accéléré	Isolants antivibratoires, supports de chocs, composants électriques
Amidon de pomme de terre/gluten de blé	Moulage par compression	Amélioration de la contrainte maximale & de l’extensibilité	Développement de plastiques à base de bio-plastique
Alginate/huile de cannelle	Coulée en solution	Bonne activité antibactérienne . activité antibactérienne	Matériaux d’emballage actifs
PVA/Chitosan	Filage électro-filature	Bonne stabilité chimique	Délivrance de médicaments emballage alimentaire
PPC/TPU	Composition par fusion	Bonne stabilité thermique &. rigidité	Applications d’emballage électronique

Exemples de biopolymères

Les biopolymères peuvent être classés globalement en trois catégories en fonction de leurs unités monomères et de leur structure :

• Polynucléotides : ADN (acide désoxyribonucléique) et ARN (acide ribonucléique)
• Polysaccharides : cellulose, chitosan, chitine, etc.
• Polypeptides : collagène, gélatine, gluten, lactosérum, etc.

Les biopolymères peuvent également être catégorisés selon d’autres critères tels que leurs matériaux de base (animaux, végétaux ou microbiens), leur biodégradabilité, leur voie de synthèse, leurs applications ou leurs propriétés.

Les exemples de certains biopolymères produits commercialement comprennent :

• Polyesters biosourcés tels que l’acide polylactique (PLA), le polyhydroxybutyrate (PHB), le polybutylène succinate (PBS), le polybutylène succinate adipate (PBSA), polytriméthylène téréphtalate (PTT)
• Polyoléfines d’origine biologique telles que le polyéthylène (Bio-PE)
• Polyamides d’origine biologique (Bio-PA) tels que les homopolyamides (Bio-PA 6, Bio-PA 11) et les copolyamides (Bio-PA 4.10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10, Bio-PA 10.10)
• Polyuréthanes tels que le Bio-PUR
• Polysaccharides tels que les polymères à base de cellulose (cellulose régénérée, diacétate de cellulose) et les polymères à base d’amidon (amidon thermoplastique, mélanges d’amidon)

L’avenir des biopolymères

La figure ci-dessous montre l’augmentation de la production de polymères biosourcés entre 2017 et ce qui est estimé être le cas en 2022. En outre, il est prévu que les biopolymères biodégradables constituent un pourcentage plus important de la production de biopolymères dans les années à venir. Il est clair que la production de biopolymères est sur une trajectoire ascendante. Bien qu’elle ait un long chemin à parcourir, si elle doit prendre le relais des produits pétroliers, la production devrait passer de 2,27 millions de tonnes en 2017 à 4,31 millions de tonnes en 2022. Ceci est au moins en partie le résultat de la demande publique et des réglementations gouvernementales, qui continueront à avoir un impact significatif.

Figure 2. Capacités de production de bioplastiques de la nouvelle économie par type de matériau .