FR3126985A1 - Bioplastique offrant une biodégradation rapide, fabriqué à partir de graminées et de déchets verts non ligneux, et son protocole de fabrication - Google Patents

Abstract

Le domaine de l’invention est celui des polymères biosourcés et des bioplastiques biodégradables. L’invention concerne la création d’un bioplastique se décomposant en quelques jours dans un milieu naturel non contrôlé, fabriqué notamment à partir de graminées et de déchets verts non ligneux, et possédant des caractéristiques mécaniques similaires aux plastiques d’origine pétrochimique. L’invention propose également un protocole permettant la fabrication de ce bioplastique à partir de matières naturelles et de produits chimiques facilement neutralisables. Le protocole consiste notamment en plusieurs extractions solides-liquides successives des composés lignocellulosiques de la biomasse afin d’obtenir la cellulose nécessaire à la fabrication du bioplastique. La cellulose est utilisée comme charge afin de renforcer le bioplastique fabriqué à partir d’une matrice d’amidon et d’un plastifiant tel que la glycérine. Le présent brevet attire l’attention sur les facilités de disposition de l’invention une fois caractérisé en tant que déchet. Cette invention souhaite répondre aux problèmes liés à la surproduction de plastiques difficilement recyclables notamment grâce à sa décomposition rapide et non nocive pour l’environnement. Le bioplastique selon l’invention est particulièrement destiné à être employé en tant qu’emballages, comme protection pour l’industrie tertiaire ou en tant que sacs à usage unique du fait de sa décomposition rapide. Le bioplastique selon l’invention est également destiné à être utilisé lors de la fabrication et de la protection de biens de grande consommation.

Description

Bioplastique offrant une biodégradation rapide, fabriqué à partir de graminées et de déchets verts non ligneux, et son protocole de fabrication

Le domaine de l’invention est celui des polymères biosourcés et biodégradables. L’invention concerne en particulier un bioplastique, offrant une biodégradation rapide et des caractéristiques mécaniques similaires aux plastiques d’origine pétrochimique existants, fabriqué à partir d’un protocole employant notamment des graminées et des déchets verts.
L’invention comporte également le protocole de fabrication dudit bioplastique et différentes variations de ce protocole.

Les avantages du plastique sont sans égaux lorsqu’il s’agit de les comparer avec ceux de n’importe quel autre matériau utilisé dans des domaines tels que le packaging, l’isolation ou la fabrication d’objets destinés à la grande consommation. Les plastiques sont légers et ne réagissent pas lorsqu’ils sont mis en contact avec la plupart des solvants organiques et inorganiques. Leurs coûts de fabrication sont faibles, tout en conservant de bonnes caractéristiques mécaniques.

La majorité des plastiques actuellement employés sont fabriqués à partir de matières fossiles (ou hydrocarbures). Ceux-ci ont pour défaut d’être difficilement recyclables, en plus de causer des risques accrus de cancers et de maladies aux êtres vivants y étant exposé de manière prolongée. Leur décomposition difficile associée à une gestion des déchets plastiques imparfaite ont amené à une surabondance de résidus plastiques dans les zones urbaines et dans la nature, provoquant d’importants problèmes écologiques aussi bien pour la faune que pour la flore. En France, la gestion des déchets plastiques se fait via le recyclage, la combustion (avec valorisation énergétique ou non) et l’enfouissement en décharges. D’après une étude réalisée en 2020 par PlasticsEurope, le recyclage ne concerne en France que 24,2% des déchets plastiques, 32,5% sont envoyés en décharges, tandis que 43,3% sont incinérés. Bien que la part de déchets recyclés ait tendance à augmenter (+ 6,8% entre 2016 et 2018), une part très importante n’est toujours pas revalorisée.

Une alternative à cette situation problématique est la substitution des plastiques fabriqués avec des composants fossiles par des plastiques d’origine biologique, autrement appelés bioplastiques. Le bioplastique actuellement majoritaire dans l’industrie est l’acide polylactique (PLA), qui est un polymère biosourcé et compostable fabriqué à partir de maïs. Ces bioplastiques ont la volonté de se distinguer notamment grâce à une meilleure biodégradabilité et à leur renouvelabilité. Néanmoins, les bioplastiques ont tendance à relâcher du méthane sous forme de gaz lors de leur décomposition, et notamment lors de leur mise en décharge. L’émission de méthane a particulièrement lieu dans les situations d’anoxie (absence d’oxygène), ce qui est majoritairement le cas dans les décharges.

Les bioplastiques sont des matériaux fabriqués en suivant une structure générique : à un polymère ou une résine (également appelé base ou matrice) est mélangée une ou plusieurs charges (une substance modifiant les propriétés mécaniques du polymère) et un plastifiant (substance provoquant la transformation du polymère en plastique). De très nombreuses variations de cette structure existent, et certaines d’entre elles ont déjà fait l’objet de brevets. Un premier brevet international WO 2020115619 choisit par exemple un bioplastique réalisé à partir de 4 à 10% d’agarose, un polymère obtenu à partir d’algues, de silice et de laurylsulfate de sodium, un dérivé d’huile végétale. Un second exemple est le brevet international WO 2018021980 qui propose un bioplastique issu de 60 à 100% d’un mélange de PLA et de PBS (polybutylène succinate, une résine thermoplastique), et qui choisit d’y intégrer un additif issu de la culture du café. Un troisième brevet européen EP 3305855 offre d’utiliser du son de blé, un résidu issu du meulage de la céréale, et ce jusqu’à 30% de la masse du bioplastique.

La recherche scientifique s’est également intéressée aux bioplastiques. Un premier exemple est l’article “Isolation, preparation and characterization of cellulose microfibers obtained from bagasse” par Bhattacharya et al. Cet article s’intéresse à la meilleure méthode quant à l’extraction et la préparation de cellulose sous forme de microfibres obtenus depuis des résidus de canne à sucre. Ces microfibres peuvent servir comme renforcement pour des matériaux composites. Un second article intitulé “Corn and Rice Starch-Based Bio-Plastics as Alternative Packaging Materials par Marichelvam et al. explique que les auteurs ont travaillé à la réalisation d’un bioplastique fabriqué à base d’amidon de riz et de maïs, et ont réussi à obtenir un matériau ayant une bonne résistance à la traction. L’article “Current Trends in the Production of Cellulose Nanoparticles and Nanocomposites for Biomedical Applications”, écrit par Rojas et al. choisit de s’intéresser aux différents protocoles de production de nanoparticules de cellulose (des fibres ayant un diamètre compris entre deux et vingt nanomètres) ainsi qu’à leurs applications dans le domaine du biomédical.

Le domaine des bioplastiques est particulièrement novateur en ce qui concerne la réutilisation de matière organique comme charge ou comme matrice. En plus d’offrir un avantage économique certain du fait de la réutilisation de déchets organiques (ayant une valeur unitaire faible, voire nulle), les bioplastiques peuvent créer un cercle vertueux avec les particuliers et les industriels désireux de se débarrasser de leurs déchets. Cette matière organique pourra alors être utilisée lors de la fabrication de bioplastiques dont ces mêmes particuliers et industriels pourront ainsi bénéficier.

Afin de répondre aux problématiques évoquées précédemment, l’invention souhaite atteindre au moins un des buts suivants :

• L’invention a pour but de résoudre le problème technique qu’est la surproduction de déchets plastiques par la fabrication d’un bioplastique pouvant se biodégrader naturellement en quelques jours sans avoir à être composté industriellement.
• L’invention a également pour but de proposer un matériau répondant aux besoins de l’industrie, et en particulier aux besoins en plastiques à usage unique ou à faible durée de vie, présentant des propriétés mécaniques similaires aux alternatives d’origine pétrochimique.
• L’invention a également pour but de proposer un matériau à base de cellulose permettant de fabriquer une gamme de produits variée aux propriétés adaptables.
• L’invention a également pour but de proposer un protocole permettant la fabrication des bioplastiques évoqués dans les objectifs précédents.

Cette invention repose sur la fabrication d’un bioplastique ayant notamment pour matières premières des graminées et des déchets verts non ligneux (sont regroupés sous cette appellation, dans le cadre de cette invention, entre autres, les végétaux suivants : feuilles mortes, résidus de tonte, mauvaises herbes, fleurs fanées). Ceux-ci agissent comme une charge permettant de renforcer les caractéristiques mécaniques du polymère fabriqué. Une des particularités de cette invention est l’utilisation indifférente de plusieurs végétaux comme source de cellulose. Un second composant, la glycérine, est également employé afin de modifier l’élasticité du matériau. La glycérine est un sous-produit de la transformation d’huiles et de graisses végétales, et est donc également d’origine naturelle. Selon une possibilité préférentielle, la matrice de bioplastique est produite à base d’amidon issu de farine de blé.

Les graminées et les déchets verts ne sont pas utilisés directement. Il est nécessaire dans un premier temps d’extraire leurs différents composants ; la cellulose étant en particulier la substance d’intérêt. Néanmoins, une des particularités de cette invention est d’offrir la possibilité d’une extraction en plusieurs étapes, offrant la possibilité de récupérer tous les extractibles des graminées et des déchets verts. Ces extractibles, en plus de la cellulose précédemment citée, sont la lignine et l’hémicellulose (qui à eux trois forment les composants lignocellulosiques des déchets verts). Cette invention met donc l’emphase sur la récupération et le réemploi en tant que matières premières des principaux constituants des graminées et des déchets verts. Le bioplastique selon l’invention permet de ce fait d’importants gains économiques au travers de la réutilisation de déchets, une matière première peu onéreuse.

Le bioplastique selon cette invention est obtenu via moulage afin d’obtenir des feuilles de bioplastique, qui pourront par la suite être usinées en fonction des besoins de l’utilisateur. Selon une possibilité, les feuilles de bioplastiques obtenues en suivant le protocole détaillé plus bas peuvent ensuite être thermoformées. Le bioplastique selon l’invention est semi-transparent, flexible, ductile, lisse, d’une épaisseur inférieure à 1 millimètre, et d’une masse surfacique comprise entre 80 grammes par mètre carré et 200 grammes par mètre carré.

De plus, le bioplastique selon l’invention a également comme avantage de pouvoir se biodégrader entièrement en quelques jours une fois enterré, tout en ne nécessitant pas d’être composté industriellement.

Cette invention se veut innovante notamment dans sa considération des impacts environnementaux imputables aux différentes phases de la vie du bioplastique fabriqué. Une attention toute particulière a été portée sur l’utilisation de réactifs chimiques qui peuvent aisément être neutralisés lors de la fabrication afin d’être sans danger lors de la fin de vie du bioplastique selon l’invention. Du fait de sa composition, le bioplastique selon l’invention ne pollue pas les sols et les eaux dans lesquels il se décompose. L’incinération du bioplastique selon l’invention peut aussi être envisagée, puisque les particules émises lors de sa combustion ne contiennent que très peu d’éléments nocifs, étant donnée de l’unique présence de matières premières d’origine naturelle dans le matériau. Le bioplastique selon l’invention a donc comme caractéristique de ne pas être toxique pour l’environnement lors de sa fin de vie (que ce soit lors de sa biodégradation, de son incinération ou lors de son recyclage).

Cette invention repose également sur le protocole de fabrication de bioplastique en utilisant les composants évoqués précédemment. Ce protocole se décompose en deux étapes principales : l’extraction et la purification des composants des graminées et des déchets verts d’une part, et la fabrication du bioplastique d'autre part.

Brève description des figures

Graphique décrivant l’évolution de la masse du bioplastique selon l’invention (en pourcentage) en fonction de la durée pendant laquelle il a été enterré (en jours). L’évolution de la masse est décrite via le pourcentage de masse perdue par rapport à la masse initiale du bioplastique. Le pourcentage évolue jusqu’à 100% de perte de masse (ce qui correspond donc à la dégradation complète du bioplastique selon l’invention) après environ 10 jours.

Graphique décrivant la réaction du bioplastique selon l’invention lorsqu’il est soumis à un essai de traction. Cette courbe trace l’élongation du matériau (sans dimension) en fonction de la contrainte exercée (en mégapascals). Sur cette courbe sont également représentées graphiquement la valeur de la résistance élastique du bioplastique (σ_E, contrainte à partir de laquelle le matériau subit une déformation irréversible), la résistance à la traction (σ_A, contrainte la plus élevée supportée par le matériau), l’élongation de la résistance élastique (ε_E, valeur de l’élongation lorsque la résistance élastique est atteinte) et l’élongation maximale (ε_max, valeur de l’élongation du matériau après rupture).

Graphique comparant les essais de traction du bioplastique selon l’invention et d’un bioplastique à base d’amidon de blé sans ajout de cellulose, et trace l’élongation des deux matériaux (sans dimension) en fonction de la contrainte exercée (en mégapascals). Ces courbes permettent de mettre en évidence les différences des caractéristiques mécaniques entre les deux matériaux, et notamment de présenter les avantages de l’invention.

Graphique décrivant les capacités d’absorption du bioplastique selon l’invention après immersion dans de l’eau. La courbe met en relation le gain de masse du matériau (en pourcentage) en fonction du temps immergé (en minutes). Après une hausse rapide de la masse (une hausse de près de 200% de sa masse initiale en environ 5 minutes), le bioplastique selon l’invention atteint une saturation en eau correspondant à un gain de masse de 320% après 90 minutes d’immersion.

Graphique décrivant la perte de masse du bioplastique selon l’invention (en pourcentage) après une immersion dans l’eau d’une durée variable (en minutes). La courbe met en évidence une perte de masse de près de 20% dès les premières minutes d’immersion, et près de 50% de la masse du bioplastique est perdue après une immersion d’au moins 50 minutes.

Graphique décrivant l’évolution de la masse du bioplastique selon l’invention (en pourcentage) lorsque le matériau est immergé dans l’eau (en minutes). La considère à la fois le gain de masse dû à l’absorption du liquide ( ) et la perte de masse due à la dégradation du matériau par l’eau ( ). Le bioplastique atteint une masse maximale après environ 30 minutes d’immersion (augmentation de la masse d’environ 150%) avant de diminuer progressivement.

Claims (10)

1. Bioplastique au moins partiellement biosourcé et biodégradable caractérisé en ce qu’il est composé de :

   1. biomasse majoritairement composée de graminées et de déchets verts non ligneux dans un pourcentage compris entre 8 et 40% de la masse totale du bioplastique.
   2. un plastifiant d’origine naturelle.
   3. une matrice d’origine naturelle.
2. Bioplastique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le plastifiant d’origine naturel est choisi parmi les esters, les esters de glycérine, les esters à base d’huiles végétales, les esters à base de polyols d’origine végétale, les huiles végétales modifiées, et en ce que la matrice d’origine naturelle est choisie parmi les amidons d’origine végétale, tels que les amidons de blé ou de céréales, ou de tout autre végétal disponible localement.
3. Bioplastique selon l’une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce qu’il possède au moins une des propriétés suivantes :

   1. une décomposition supérieure à 90% de sa masse initiale suivant une durée maximale de 30 jours suite à un enterrement ou à une mise en compostage.
   2. une décomposition supérieure à 90% de sa masse initiale suivant une durée maximale de 30 jours suite à une immersion dans une eau courante.
4. Bioplastique selon l’une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce qu’il possède au moins une des propriétés suivantes :

   1. un module de Young supérieur à 1 gigapascal.
   2. une résistance à la traction supérieure à 20 mégapascals.
   3. une élongation maximale supérieure à 20%.
5. Un protocole de fabrication de bioplastique caractérisé en ce qu’il décrit les étapes successives suivantes :

   1. Lavage, séchage et broyage de la biomasse choisie.
   2. Traitements successifs de la biomasse avec une solution d’hydroxyde de sodium suivis de filtrations.
   3. Traitement de la biomasse avec une solution de peroxyde d’hydrogène suivi d’une filtration.
   4. Traitement de la biomasse avec une solution d’acide chlorhydrique suivi d’une filtration.
   5. Réalisation d’une préparation comprenant une matrice, un plastifiant et la cellulose issue de la biomasse préalablement traitée.
   6. Moulage et séchage de la préparation.
6. Un protocole de fabrication de bioplastique suivant la revendication 5 caractérisé en ce que :

   1. la solution d’hydroxyde de sodium employée lors des traitements successifs de la biomasse ait une concentration molaire de 0.5 mole par litre et soit chauffée à 60°C pendant 2 heures sous agitation magnétique.
   2. la biomasse soit traitée à température ambiante pendant 24 heures par une solution de peroxyde d’hydrogène ayant un pH proche de 11.
   3. la solution d’acide chlorhydrique employée lors du traitement de la biomasse ait une dilution comprise entre 23% et 37%, et soit chauffée pendant 40 minutes à 80°C sous agitation magnétique.
   4. la préparation contenant de l’amidon comme matrice, de la glycérine comme plastifiant et de la cellulose obtenue par les étapes précédentes du protocole soient soumis à une homogénéisation sous agitation magnétique, avec une température minimale de 85°C, pendant une durée de 60 minutes.
7. Un protocole de fabrication de bioplastique suivant la revendication 6 caractérisé en ce que les solutions d’hydroxyde de sodium et d’acide chlorhydrique employées aient une quantité de matière égale de telle manière que leur neutralisation l’une avec l’autre soit facilitée.
8. Un protocole de fabrication de bioplastique suivant les revendications 5 à 7 caractérisé en ce que la biomasse traitée est placée dans une centrifugeuse tournant à 6000 tours par minutes pendant 10 minutes.
9. Un protocole de fabrication de bioplastique suivant les revendications 5 à 7 caractérisé en ce que la préparation comprenant la matrice, le plastifiant et la cellulose soit moulée et séchée en employant un dessiccateur.
10. Objet plastique transformé, de préférence sous forme de film obtenu par moulage ou thermoformage, caractérisé en ce qu’il correspond aux revendications 1 à 4, et/ou qu’il soit obtenu en suivant les revendications 5 à 7.