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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Latex de PLA, une solution pour l'enduction des papiers ? Révision : 2 février 2015  
Latex de PLA, une solution pour l'enduction des papiers ?
 
             Laura DOS SANTOS et Fleur ROL

Élèves ingénieurs 2e année
Mai 2014
Mise en ligne - Février 2015

Avertissement
Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité.
À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations
et tous les acteurs concernés.

       
  Plan  
I - Introduction
II - L'enduction du papier
III - Du latex pour enduire le papier
IV - Des matériaux biosourcés pour le couchage du papier
V - Analyse économique
VI - Perspectives
VII - Conclusion
VIII - Bibliographie-Webographie
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I - Introduction

Plan

   
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Le secteur papetier est en crise. Les ventes de papier ont considérablement chuté ces dernières années notamment en raison de l’évolution croissante du numérique. Cependant, les fabricants de papiers spéciaux à haute valeur ajoutée se démarquent suffisamment pour survivre. En effet, la tendance est aux beaux papiers et emballages car les consommateurs associent souvent la qualité du contenant avec celle du contenu. Des entreprises se spécialisent dans la production de ce type de papier et la recherche dans ce domaine est très active.

L'un des moyens d’obtenir un papier de haute qualité est de lui ajouter une couche lui conférant diverses propriétés. Une sauce de couchage est déposée sur la surface du papier afin d'accentuer son imperméabilité aux huiles, sa brillance, sa résistance et bien d’autres fonctionnalités. Par ailleurs, compte tenu de la diminution des grammages, le couchage sert à préserver la qualité de certains papiers ou cartons. La formulation de la sauce de couchage dépend des propriétés finales désirées. Toutetois, certains composants, comme les pigments et les latex, sont indispensables.

La société rêve d’un monde plus vert et les entreprises tentent d’être le plus eco-friendly possible. La hausse du prix du pétrole, ressource fossile qui s’épuise, augmente le coût des produits finis. Les législations relatives à l’utilisation de produits chimiques et de matériaux polluants se multiplient et s'imposent toujours plus aux industriels. Toutes ces raisons conduisent ces derniers à se tourner vers les matériaux biosourcés. Le couchage du papier n’échappe pas à cette tendance. C’est pourquoi les chercheurs essayent de trouver une alternative aux produits issus de la pétrochimie présents dans les sauces de couchage afin de ne pas contaminer le papier qui est quant à lui un produit biosourcé, biodégradable et recyclable. Grâce aux travaux scientifiques et aux partenariats entreprises-laboratoires, des alternatives biosourcées apparaissent comme le latex de PLA.

Après une présentation de l'enduction des papiers et du rôle qu'y joue le latex, un coup de projecteur est mis sur les innovations dans ce secteur et l'intérêt du latex de PLA. Le secteur des emballages papier carton pour l’alimentaire, susceptible d'être l'un des principaux consommateurs du latex de PLA, fait l'objet d'une analyse économique.

II - L'enduction du papier

Plan

Elle consiste à déposer une couche sur le papier afin de modifier son état de surface et de lui conférer des propriétés additionnelles. Il y a différentes sortes de couche qui permettent de distinguer le papier couché du papier surfacé. Pour un papier couché, destiné à l’impression, la couche est une dispersion aqueuse constituée majoritairement de pigments et de liants. Pour un papier surfacé, la couche contient majoritairement voire exclusivement du liant. Une fois déposée, la couche est séchée. Le dépôt de couche pigmentaire est de l’ordre de 5 à 20 g/m² de couche sèche alors que le dépôt lors du surfaçage est inférieur à 3g/m². Plusieurs couches, trois au maximum, peuvent être déposées sur un même support : on parle alors de pré couche, couche et top couche.

En France, la consommation des papiers et cartons est de 11 millions de tonnes par an. Une grande partie subit un traitement de surface afin d’avoir une fonction particulière. En effet, la moitié des papiers impression-écriture sont couchés soit 2,2 millions de tonnes par an. De plus, la plupart des papiers spéciaux et des cartons plats sont aussi couchés. Au final, un tiers du volume total des papiers et des cartons (3.3 millions de tonnes par an) est soumis à un traitement de surface.

Avant le couchage, la structure du papier est macroporeuse : la taille des pores est de quelques microns. Après couchage, elle est réduite d’environ un facteur 10 ce qui rend la structure microporeuse. Par ailleurs, la rugosité du papier est inférieure à 1 micron après couchage.

Le dépôt de la sauce de couchage peut conférer différentes propriétés au papiers : imprimabilité améliorée, propriété anti-adhérente ou encore antidérapante... En outre, l’aspect du papier (brillance, blancheur, opacité) en ressort de meilleure qualité [Figure 1].

                     
  Figure 1 - Surface d'un papier non couché et d'un papier couché
[GFP]
 
     

II-1 - Papiers couchés et surfacés

II-1-1 - Différentes distinctions

De nombreux papiers peuvent être couchés. Un papier est surfacé si la couche déposée est une solution d’amidon faiblement concentrée (<10%). Il est possible d'ajouter des insolubilisants, des azurants optiques et des pigments en très faible quantité. Un papier couché contenant plus de 50% de pâte mécanique est dit "couché avec bois".

Les papiers peuvent être aussi différenciés selon leur grammage : LWC (light weight coated) ou MWC (medium weight coated). La tendance est d’utiliser des papiers au grammage de plus en plus faible. Par ailleurs, il faut distinguer les papiers couchés modernes deux faces ou une face – la teneur en pâte mécanique est inférieure à 10% et le poids de couche varie entre 10 et 20 g/m² par face – et les papiers couchés classiques simple ou double face – le dépôt de couche est supérieur à 18g/m². Les papiers FCO (film coated offset) correspondent à des papiers surfacés ou pigmentés par des systèmes de type film transfert et sont destinés à l’impression offset. Enfin, il y a des papiers mats, semi-mats, brillants ou couchés sur chrome selon le traitement mécanique réalisé après le couchage : aucun traitement pour le papier mat alors que le papier semi-mat subit un calandrage. Le papier brillant est soumis à une supercalandre et le papier couché sur chrome est traité par un cylindre chromé parfaitement lisse. Il s'agit de codification liée à l’apprêt mécanique.

II-1-2 - Caractéristiques des supports

Les papiers destinés à recevoir la couche doivent présenter les propriétés suivantes :

Exemples de fournisseurs de papier au niveau mondial : Emin Leydier, Ahlstrom, Arctic Paper et Arjowiggins.

II-2 - Formulation d’une sauce de couchage

Une sauce de couchage est principalement constituée de pigments, de liants et d’eau. Elle peut aussi contenir des adjuvants spécifiques tels que des dispersants, des anti-mousses, des biocides, des colorants, des lubrifiants... Les pigments et les liants peuvent être purs ou en mélange et représentent 98% du bain d’enduction. Tous ces éléments doivent être compatibles et donner lieu à une dispersion colloïdale. Le choix des composants dépend de l’utilisation finale du papier couché et du procédé d’impression.

II-2-1 - Pigments

Éléments les plus importants par leur proportion (80 à 92% de la couche), ils permettent une bonne couverture des fibres et apportent de la blancheur et de l’opacité ainsi qu’un certain brillant et lissé. Ils sont disponibles sous plusieurs formes : solide en poudre, solide pré-dispersé, slurry (concentration entre 65% et 75%).

Les pigments doivent présenter certaines propriétés :

Les pigments les plus utilisés pour le couchage du papier sont le kaolin, le carbonate de calcium, le dioxyde de titane, le talc et les pigments plastiques. En effet, pour diminuer la masse spécifique de la couche, les papetiers utilisent parfois des pigments plastiques qui sont des latex (le plus souvent du polystyrène).

Chaque pigment a des avantages et des inconvénients [Tableau 1].

  Avantages Inconvénients
Kaolin
  • Brillance élevée
  • Bonne couverture des fibres
  • Manque de blancheur
  • Augmentation de la porosité (si calciné) qui gêne l'imprimabilité et réduit la brillance
Carbonate de calcium (CaCO3)
  • Grande capacité d'absorption des huiles
  • Meilleure blancheur qu'avec le kaolin
  • Brillant plus faible qu'avec le kaolin
Dioxyde de titane (TiO2)
  • Bonne aptitude à la dispersion
  • Blancheur élevée (>95°)
  • Bon pouvoir opacifiant
  • Grande surface spécifique
  • Demande importante en liant
  • Coût élevé
Talc
  • Faible dureté (améliore la découpe du papier)
  • Douceur (réduit l'abrasion)
  • Bonne blancheur
  • Dispersion difficile
  • Coût élevé
Pigments plastiques
  • Faible densité
  • Brillant élevé
  • Bonnes propriétés optiques
  • Forte microporosité
  • Douceur remarquable
  • Pas naturels
  • Coût très élevé

Tableau 1 - Avantages et inconvénients des principaux pigments utilisés dans le couchage du papier

Les prix varient d’un pigment à l’autre [Tableau 2].

  Fournisseurs Prix
Kaolin
  • Decoman
  • Morgan
  • Sepiolsa
  • Ceratera
  • Imerys
  • 65€ le kilo
  • En hausse
Carbonate de calcium (CaCO3)
  • Minerals Technologies (n°1)
  • Omya (n°2)
  • Imerys (2 Mt/an) (n°3)
  • Solvay (50 000 t/an)
  • Schaeffer Kalk (120 000 t/an)
  • 120$/t
Dioxyde de titane (TiO2)
  • Good Fellow
  • Antraco
  • Dupont
  • Galvachem
  • 2300 $/t
  • Production mondiale : 4.5 Mt/an
Talc
  • Boss Oil
  • Gustav Grolman
  • Hopewang
  • 4.61 €/kg
Pigments plastiques
  • 3M
  • Alcolor
  • Albis
 

Tableau 2 - Prix des principaux pigments utilisés dans le couchage du papier

II-2-2 - Liants

Ils assurent la cohésion de la couche et son adhésion au support fibreux qu’est le papier. Présents à des taux de 6 à 18%, ils permettent à la couche de rester poreuse afin de sécher dans de bonnes conditions et de conserver une bonne affinité pour les encres et les vernis. Bien qu'indispensables à la formulation d’une sauce de couchage, leur quantité est réduite au maximum car ils sont chers et ne contribuent pas aux propriétés optiques de la couche. En effet, ils entraînent une diminution de l’opacité, du lissé, du brillant et de la porosité.

Les liants peuvent être naturels (amidon) ou synthétiques (latex de styrène butadiène). Les latex synthétiques sont plus chers mais privilégiés par rapport aux liants naturels.

Les caractéristiques attendues sont les suivantes :

Le latex ne dépasse jamais les 15% dans la formulation de la sauce de couchage.

L’amidon, liant naturel le plus répandu, provient de différentes sources – maïs, blé, pomme de terre, tapioca [Tableau 3] – et dès lors, n’a pas les mêmes propriétés. Il doit être cuit avant d’être utilisé comme liant. Ses avantages : il est peu onéreux et peut conférer une très forte rigidité à la surface. C’est aussi un bon rétenteur d’eau. En revanche, il augmente la viscosité ce qui est parfois un frein dans les sauces de couchage qui sont pompées. De plus, il donne une faible brillance à la couche et n’est pas un bon support pour les azurants optiques.

Principaux fournisseurs d’amidon dans le monde : Roquette, Visco Starch, Bendery Starch.

  Maïs Pomme de terre Blé Autres Total
UE 3.9 1.8 2.8 0 8.4
USA 24.6 0 0.3 0 24.9
Autres pays 10.9 0.8 1.1 2.5 15.2
Monde 39.4 2.6 4.1 2.5 48.5

Tableau 3 - Récapitulatif de la production d'amidon en millions de tonnes
[Commission européenne (DG Agriculture, Unité C2),
Ministère américain de l’Agriculture et estimations LMC 2002]

II-2-3 - Co-liants

Ils améliorent les propriétés rhéologiques de la sauce de couchage et la rétention d’eau pour freiner le drainage des particules de latex dans le support papier. Ils servent aussi de support aux azurants optiques. Ils peuvent être d’origine naturelle (caséine, soja...) ou synthétique (PVA, latex alcali soluble). Les plus utilisés sont la carboxyméthyle cellulose (CMC) et l’amidon mais aussi l’alcool polyvinylique et la protéine de soja.

Fournisseurs de CMC : S&G Ressources, Chemikalien Import Export, AXO Industry. Fournisseur d’alcool polyvinylique : Acros Organics.

II-2-4 - Adjuvants et additifs

Ils confèrent des propriétés spécifiques à la sauce de couchage mais peuvent aussi être ajoutés pour la bonne conduite du procédé. Leur rôle : dispersants, rétenteurs d’eau, modificateurs de rhéologie, lubrifiants, ajusteurs de pH, anti-mousse…

Les sauces de couchage sont des mélanges des précédents constituants selon le rendu désiré et le type de support [Tableau 4].

Composants Parts (en poids)
Kaolin 60-100
Talc 0-40
Latex SB carboxylé 5-8

Tableau 4 - Exemple de composition de couche pour un papier magazine pour héliogravure

Par ailleurs, la concentration moyenne d'une sauce de couchage est de 55-60% et le poids de couche est d’environ 7-9 g/m².

Une sauce de couchage est formulée en mixant, dans un ordre précis, tous les ingrédients à l’aide d’un turbo-mélangeur. Le comptage est fait en parts, 100 parts représentant les pigments secs. Ainsi, lors du calcul des parts, il faut prendre en compte l’état physique du constituant. Par exemple, le latex est souvent sous forme d’émulsion à 50% de teneur en matière sèche.

En premier lieu, les pigments sont dispersés dans l’eau en mettant la quantité nécessaire de dispersant afin de minimiser les agglomérats. Ensuite, le liant est ajouté lentement puis les autres additifs. Bien souvent, cette opération est automatisée et les constituants principaux peuvent être préalablement dosés. Les additifs minoritaires sont ajoutés par des pompes doseuses. Sensible au cisaillement, le latex est ajouté sous faible agitation.

L'un des paramètres important à considérer est le procédé d’impression car la plupart des papiers sont destinés à être imprimés. Si un papier ne passe pas dans le procédé d’impression, même s'il est très lisse, très blanc et très brillant, il partira aux déchets. Ce paramètre joue un rôle décisif dans le choix du papier et de la couche. Suivant le procédé d’impression choisi, la couche doit conférer différentes propriétés [Tableau 5].

Procédé d'impression Propriétés
Offset feuilles
  • Résistance à l'arrachage à sec et humide
  • Equilibre absorption encre-eau
Offset rotative
  • Résistance à l'arrachage à sec et humide
Héliogravure
  • Lissé
  • Compressibilité
  • Faible abrasivité
  • Bonne absorption de l'encre
Flexographie
  • Absorption du solvant et de l'eau
  • Stabilité dimensionnelle
  • Rigidité

Tableau 5 - Propriétés de la couche nécessaires pour l'impression

Le Tableau 6 présente des exemples de composition de sauce de couchage pour l'héliogravure et pour l'offset.

Héliogravure Parts Offset Parts
Kaolin 60-100 Kaolin 60-100
Talc 0-40 CaCO3 0-40
Latex styrène butadiène 5-8 Latex styrène butadiène
CMC
10-14
0.5-1.5
Dépose en g/m² par face 7-9 Dépose en g/m² par face 8-10
Matière sèche % 55-60 Matière sèche % 55-60

Tableau 6 - Formulation de sauce de couchage pour les LWC

II-3 - Méthodes de couchage

L’enduction consiste à déposer une couche de sauce à la surface d’un papier par surfaçage ou par couchage.

Cette méthode améliore l’hydrophobie du papier et sa résistance mécanique à l’état humide.

Le couchage modifie la porosité du papier et améliore les propriétés d’imprimabilité. Il peut être fait en machine (on-line) ou hors machine (off-line). Les premières machines d’enduction apparaissent dans les années 1900 : les coucheuses à brosse suivies dans les années 20 et 30 par les coucheuses à lame d’air. La largeur d’une machine industrielle moderne est 10 mètres avec une vitesse de 1500 à 2000 m/min.

L’objectif est de toujours améliorer la régularité de la dépose et la productivité des machines tout en réduisant le nombre de casses. Différents procédés permettent de coucher un papier, toujours en trois étapes : apport de la sauce sur le papier, dosage et séchage.

La différence entre un surfaçage et un couchage réside seulement dans la présence de pigments pour les papiers couchés. Le surfaçage consiste à déposer en général de l'amidon cuit à faible concentration par des techniques de type size press. Pour le couchage, différentes techniques sont possibles.

II-3-1 - Size-press

La size-press apparaît dans les années 30 et 40. Ce procédé peu onéreux permet de déposer la sauce de couchage des deux côtés de la feuille. La sauce est apportée par un rouleau applicateur grâce à une bacholle dans laquelle barbote le cylindre. La feuille de papier passe entre deux cylindres et absorbe une partie du bain de couchage. La quantité absorbée dépend de la concentration et de la viscosité de la sauce ainsi que de la vitesse de la feuille [Figure 2].

En 1980, le procédé metering size-press est inventé pour pallier aux problèmes d’éclaboussures. Le bain d’enduction est pré-déposé sur les rouleaux et transféré à la feuille par pression lorsqu’elle se trouve dans la zone de pincement. Enfin, le tout est séché, souvent par infrarouge.

                     
  Figure 2 - Fonctionnement de la size-press
[KnowPap]
 
     

II-3-2 - Lame

Né dans les années 70, cette technique consiste à racler l’excès de sauce déposée sur le papier. La sauce peut être acheminée par deux moyens. Soit elle est injectée très près de la lame de couchage et tangentiellement à la feuille (système Short-dwell). Soit la feuille passe dans un bac contenant la sauce de couchage : il y a donc un excès de sauce de couchage sur le papier. La lame vient alors racler la surface du papier pour l'enlever et obtenir la bonne dose de sauce de couchage. Pour ce faire, la pression de la lame est ajustée sur le papier. Avec ce procédé, le couchage du papier peut atteindre une vitesse de 1800 m/min.

Il existe différents types de lame : lame d’air, lame rigide et lame traînante. Cette dernière peut être biseautée ou non. La lame raclante est biseautée et dépose entre 5 et 13 g/m² de sauce de couchage. L’appui de la lame est alors métallique ou pneumatique. La lame lissante quant à elle n’est pas biseautée et permet de déposer entre 10 et 25 g/m² de sauce

II-3-3 - Sans contact

Depuis 1995, le couchage sans contact est développé : par pulvérisation (spray coating) ou par couchage (rideau).

Dans le cas de la pulvérisation, de fines gouttelettes de sauce de couchage sont pulvérisées sur la feuille et défilent tandis que, dans le cas du couchage rideau, un film de sauce tombe sur la feuille qui défile [Figure 3]. Il n’y a pas de raclage et l’application est faite sans contrainte de pression. Elle est donc moins dépendante des propriétés du support. Cependant, l’état de surface est généralement moins brillant.

                     
  Figure 3 - Schéma d'une coucheuse rideau multicouches
[TEL (thèses-en-ligne)]
 
     

II-3-4 - Séchage de la couche

Le séchage du papier couché peut être effectué par conduction, par convection ou par rayonnement. En sortie de coucheuse, le papier passe devant des sécheurs infrarouges. L’eau contenue dans la sauce est alors évaporée. Ensuite, la feuille couchée passe dans des sécheurs aéroportés où de l’air chaud est pulsé pour évacuer la vapeur d’eau s’échappant de la couche. En effet, cette technique de séchage sert à ne pas abîmer la couche et les cylindres. Le papier couché peut ensuite passer entre deux cylindres chauffeurs mais cette étape n’est pas toujours réalisée.

II-3-5 - Hétérogénéité de la couche

La couche déposée est hétérogène : son épaisseur varie beaucoup (jusqu’à trois fois) en particulier dans le cas de de la technique de la lame impliquant que la sauce remplit les pores du papier support. De plus, la distribution du support n’est pas homogène dans l’épaisseur du papier couché car il y a toujours un drainage de la sauce dans le support. Ainsi, se forme un filter-cake, riche en pigments, à la surface du papier.

Des techniques d’analyse de pointe, comme la spectrographie Raman, permettent de localiser dans l’épaisseur du support et de la couche la proportion de liant et de pigment. Pour finir, les propriétés du liant, du support et le séchage peuvent influencer la qualité de la couche. Par exemple, la formation du film dépend de la température et de l’humidité. Si cette dernière est hétérogène alors la formation du film l'est également ainsi que le dépôt d’encre par la suite.

II-4 - Machine industrielle et sauce de couchage

Une machine de couchage impose des contraintes de viscosité et d’extrait sec. Le bain de couchage est acheminé par des pompes donc sa viscosité est un paramètre important. De plus, lorsqu'elle est appliquée sur le papier, la sauce de couchage est soumise à des cisaillements de l’ordre de 106 s-1 dans le cas d'une coucheuse à lame.

Pour les papetiers, la rétention d’eau du bain est importante car elle caractérise la capacité du bain à céder son eau au papier. Si la rétention d’eau est bonne, il y a un bon étalement et un aspect de surface régulier. En outre, la sauce de couchage ne pénètre pas dans le support.

Par ailleurs, les stabilités colloïdale et chimique (pH) doivent être contrôlées pendant le couchage. La sauce doit être alcaline. Enfin, une petite unité de couchage consomme 10 à 50 tonnes de sauce par jour. Cependant, 2000 L/h d’effluent sont perdus à environ 2% de masse sèche.

II-5 - Le latex comme liant dans la sauce de couchage

Aujourd’hui pour le latex, le papier représente un volume de plus de 2Mt. En Europe de l’Ouest, le marché du papier représente 30% de la consommation totale de latex, essentiellement utilisé comme liant et, accessoirement, comme co-liant et pigment plastique. Actuellement, quatre grands acteurs se partagent 90% du marché du latex pour le couchage des papiers en Europe de l’Ouest.

Les premiers adhésifs utilisés en couchage sont des colles classiques (gélatine, amidon, caséine). Vers 1930, des tentatives d'introduction du latex naturel dans le couchage échouent car il est trop instable, vieillit trop vite et n'a qu'un faible pouvoir adhésif. Dès les années 45-50, le latex synthétique est introduit dans la production des papiers cartons pour le traitement de surface de la feuille : le premier utilisé est un copolymère de styrène et de butadiène obtenu par la méthode d’émulsion polymérisation.

Le latex est apprécié par les papetiers pour leur sauce de couchage pour diverses raisons.

Cependant, le latex ne procurant pas une assez bonne rétention d’eau au bain de couchage, est utilisé avec des co-liants. Le plus souvent, c'est le latex carboxylé qui est utilisé pour coucher le papier. Par ailleurs, utiliser du latex dans la sauce de couchage permet de réduire le retrait (grâce à la température de transition vitreuse Tg) au séchage et d’améliorer le brillant de la couche.

Le taux de latex modifie les propriétés de la couche, en particulier sa porosité. La microscopie à force atomique permet d'observer que les particules de latex s’organisent autour des pigments et les stabilisent. De plus, la porosité diminue considérablement avec l’augmentation du taux de latex. Par exemple, pour 5 parts de latex, la porosité est de 40% alors que pour 25 parts de latex, elle est de 5%. Cependant, la nature des pigments et des supports joue sur ces propriétés.

La présence d’agglomérat est inévitable dans un latex et diminue le pouvoir adhésif de l’émulsion. L'usage d'un microscope électronique permet de connaître la dimension exacte des particules et le nombre d’agglomérats.

II-6 - Les papiers couchés, un secteur industriel important

L’industrie de la transformation des papiers cartons rassemble 540 entreprises de 20 salariés ou plus, emploie 80 000 salariés et génère un chiffre d’affaires de 19 milliards d'euros. Dans ce secteur, ont lieu des opérations de couchage, découpage et collage. Le papier couché est utilisé dans divers domaines : emballage, papier siliconé, papier antidérapant, papier ignifuge, papier brillant, impression-écriture... De nombreux papiers et cartons sont couchés [Tableau 7].

                     
  Tableau 7 - Exemples de papiers couchés
[Gascogne Paper]
 
     

La moitié des papiers impression-écriture sont couchés soit 2.2 millions de tonnes par an en France. De plus, une grande partie des papiers spéciaux et des cartons plats sont aussi couchés. Un tiers du volume total des papiers et des cartons (3.3 millions de tonnes par an en France) sont soumis à un traitement de surface.

Parmi les fournisseurs français de papiers et cartons destinés au couchage figurent : Gascogne Paper, Condat, Arjowiggins, Saica Paper...

III - Du latex pour enduire le papier

Plan

Le latex est un matériau élastique naturel ou synthétique. C’est une dispersion colloïdale de particules constituées de macromolécules. C’est aussi une suspension colloïdale de polymères. Il y a deux familles de latex selon le monomère employé.

Le latex peut être anionique, cationique, non ionique ou amphotère selon le type d’agent surfactant utilisé pendant l’opération d’émulsion-polymérisation.

À l'époque précolombienne (1600 av. JC), le latex provenant de différentes plantes d'Amérique centrale et d'Amérique du Sud est utilisé pour fabriquer divers produits. Lorsque les Espagnols découvrent l’Amérique, les Aztèques et les Mayas extraient ce liquide laiteux pour en faire des balles très dures pour jouer, enduisent leurs vêtements avec ce liquide pour les rendre imperméables et s’en servent également pour des préparations médicinales.

En 1747, l'ingénieur François Fresneau de La Gataudière et le scientifique Charles Marie de La Condamine identifient l’arbre à caoutchouc, l’hévéa (Hevea brasiliensis), et rédigent un rapport suscitant l'intérêt de la France et de l'Angleterre. En 1770, Joseph Priestley invente la gomme. La première usine de caoutchouc est créée à Paris en 1803 pour produire des bandes élastiques pour les jarretières et les bretelles. En 1823, l'Écossais Charles Macintosh en installe une deuxième à Glasgow pour fabriquer des vêtements de pluie. Puis d’autres suivent. Toutefois, la clientèle se désintéresse de ces produits durs en hiver, mous et gluants en été.

En 1834, l'Allemand Friedrich Wilhelm Lüdersdorff et l'Américain Nathaniel Manley Hayward découvrent que l'addition de soufre à la gomme de caoutchouc diminue voire élimine la nature collante des produits finis. En 1839, utilisant les travaux de ces chimistes, Charles Goodyear montre que la cuisson du caoutchouc en présence de soufre supprime les propriétés indésirables de la gomme : c'est la découverte de la vulcanisation. Le caoutchouc vulcanisé a une solidité et une élasticité accrues ainsi qu'une plus grande résistance aux changements de température. Il est imperméable aux gaz et résiste à l'abrasion, aux réactions chimiques, à la chaleur et à l'électricité. Il présente également une résistance élevée au frottement sur des surfaces sèches et faible sur des surfaces mouillées par l'eau.

Par la suite, le latex naturel vient manquer, c'est pourquoi le latex synthétique est mis au point en 1860.

III-1 - Mise en forme et composition

III-1-1 - Latex naturel

Les végétaux libèrent un suc laiteux qui s’écoule lorsqu’on les blesse. Une entaille dans l'écorce d'hévéa permet de recueillir le latex [Figure 4].

                     
  Figure 4 - Récolte du latex sur un hévéa
au Cameroun
[Wikipédia]
 
     

Ce suc est filtré, dilué à l'eau et traité avec un acide pour coaguler les particules de caoutchouc en suspension. Une fois pressuré entre des rouleaux afin de faire des plaques compactes ou de minces feuilles crêpées, le caoutchouc est séché à l'air ou à la fumée avant de subir les transformations ultérieures.

Le latex naturel est composé essentiellement d’une suspension de particules de polyisoprène, polymères de masse molaire élevée (200 000 à 500 000 g/mol) et d’une grande stéréorégularité (99% de 1.4 cis) [Tableau 8].

Constituants % pondéral
Solides totaux 41.5
Caoutchouc sec 36.0
Acides aminés et bases azotés 0.3
Lipides neutres 1.0
Protéines 1.6
Phospholipides 0.6
Hydrate de carbone 1.5
Sels minéraux 0.5
Eau 58.5

Tableau 8 - Composition d'un latex naturel
[Les latex synthétiques]

Le mécanisme de biosynthèse fait intervenir une enzyme hydroxynitrile lyase. La présence de protéines et de phospholipides à la surface des particules et dans le sérum qui les entoure explique la stabilité mécanique du latex. Le taux de polymère est de 34 à 38%.

Le latex naturel est trois fois moins utilisé que le latex synthétique mais il ne tend pas à disparaître. La majorité est produite dans le Sud-Est Asiatique (80%), la Thaïlande, l'Indonésie et la Malaisie étant les plus gros producteurs (36%, 22% et 12%). Le marché du pneumatique consomme 70% de la production de latex naturel.

Traditionnellement extrait de l'hévéa, d'autres sources de latex naturel sont recherchées afin d'en limiter le caractère allergène. D'où l'intérêt pour le guayule dont l'entreprise américaine Yulex a commencé l’exploitation. Certains produits sont déjà commercialisées : gants de protection, cathéters,... Depuis 2002, des études sont menées pour créer du latex naturel à partir de tournesol.

III-1-2 - Latex synthétique

À partir du latex naturel, le chimiste britannique Charles Greville Williams isole en 1860 un hydrocarbure diènique C5H8 : l’isoprène. C’est le premier latex synthétique. Au 20e siècle, un fort engouement pour le caoutchouc lié au développement de l’automobile incite à synthétiser l’isoprène. Pendant la Première Guerre mondiale, en Allemagne, des polymérisations sont effectuées en masse par voie thermique ou en présence de divers catalyseurs dont le sodium et conduisent aux polymères, pratiques pour avoir de gros volumes. D’autres polymères sont testés et c’est le méthyl butadiène amorcé par le sodium qui rencontre le plus grand succès. Toutefois, la qualité de ces caoutchoucs artificiels est moins bonne que celle des caoutchoucs naturels.

En 1926, les travaux de recherche reprennent en Allemagne en utilisant un procédé radicalaire en émulsion. Les équipes de la société IG Farben concentrent leurs efforts sur le polybutadiène proche de l’isoprène mais dont le monomère est plus accessible et moins cher. Il est produit à faible coût à partir de l’acétylène puis sur les copolymères de butadiène avec le styrène et l’acrylonitrile. Le styrène améliore les propriétés mécaniques et l’acrylonitrile, la tenue aux huiles et la résistance aux solvants. Ils sont commercialisés en 1938, sous les noms Buna S et Buna N, avec une production de 100 000 tonnes en 1943. Les polymérisations sont effectuées en dispersant le monomère dans une phase aqueuse en présence de tensioactifs et de sels de persulfate comme amorceur. Aux sorties du réacteur, les dispersions de polymères sont proches de celles du latex naturel. Elles sont ensuite coagulées pour produire du caoutchouc ou laissées telles quelles pour imperméabiliser des articles textiles.

Le latex synthétique peut être préparé à partir de :

Cette méthode ne permet pas d’obtenir de très petites particules : le diamètre moyen est inférieur à 2000 A. Les polymères déjà préparés sont réduits en très petites particules par broyage ou par tout autre procédé mécanique. Ils sont ensuite émulsionnés dans l’eau par une agitation très intense en présence d’un émulsifiant. Il est possible de fondre les hauts polymères et de les émulsionner dans une solution chaude ou encore de mettre les polymères en solution dans un solvant puis d’émulsionner la solution dans l’eau.Les émulsions sont peu stables. Utiliser une quantité suffisante d’émulsifiant permet de les stabiliser mais en courant le risque de moussage et de perte de pouvoir d’adhésion lors du couchage.

C’est le procédé le plus utilisé : l'émulsion-polymérisation. Il en résulte un copolymère qui possède des propriétés physiques et chimiques différentes de celles qu’aurait eu le mélange des mêmes polymères. Plus on utilise de polymères dans la formation de cette émulsion-polymérisation, plus la connaissance parfaite du mécanisme est difficile.

Tout d’abord, un émulsifiant (le stéarate de sodium, savon alcalin...) est introduit dans l’eau. Les molécules d’émulsifiant sont ionisées et se groupent par paquets de 20 à 100 unités pour former des micelles lorsque leur concentration devient suffisante. Les molécules d’émulsifiant se rassemblent au centre de la micelle et les parties hydrophiles sont tournées vers la phase aqueuse.

Deuxième étape : le styrène est introduit sous forme de gouttelettes. L’émulsifiant les stabilise. Toutefois, une partie du styrène entre dans la micelle qui gonfle.

Troisième étape : un composé oxygéné (persulfate de potassium) est introduit. Des radicaux sont formés à l’aide de la chaleur ou en présence d’un réducteur. Ils permettent d’initialiser la réaction de polymérisation. Cette dernière a lieu dans les gouttelettes durant la phase aqueuse ou dans les micelles gonflées (c’est là qu'il y a le plus de polymérisation). Le polymère grandit et s’incurve dans la micelle. Le polymère cesse de croitre quand un autre radical entre dans la micelle et se fixe à l’extrémité pour terminer la polymérisation.

Quatrième étape : la tension superficielle de l’émulsion augmente avec la polymérisation de monomère jusqu’à une certaine valeur où la micelle ne peut plus exister.

Cinquième étape : la polymérisation est arrêtée et le monomère qui n’a pas été transformé est éliminé. Il reste dans l’émulsion. Les polymères sont stabilisés en suspension dans la phase aqueuse. On parle alors de latex.

III-2 - Propriétés du latex

Le latex est

Dans l'ouvrage Species Plantarum de Carl von Linné (1753), le latex naturel est qualifié ainsi :

Les propriétés sont différentes selon le type de latex [Tableau 9].

                     
  Tableau 9 - Propriétés de quelques latex
PVAc (latex de polyacétate de vinyle)
S/B (latex de styrène butadiène)
S/A (latex de styrène acrylate)
[GFP]
 
     

III-3 - Applications du latex

Les revenus générés par le marché mondial du polymère en émulsion atteignent 28,24 milliards de dollars en 2012 et devraient s'élever à 41,63 milliards de dollars en 2019.
Le latex, naturel ou synthétique, est un matériau aux multiples usages [Figure 5].

                     
  Figure 5 - Applications industrielles du latex
[GFP]
 
     

Néanmoins, chaque latex ayant des propriétés spécifique, ne peut être utilisé dans tous les secteurs. Par exemple, pour la peinture, il est préférable d’utiliser le latex d’acrylate. Pour le couchage des papiers, l’ensemble des latex peuvent être utilisés mais le latex de styrène butadiène est préférable [Tableau 10].

                     
  Tableau 10 - Choix du latex par application
PVAc (latex de polyacétate de vinyle)
S/B (latex de styrène butadiène)
S/A (latex de styrène acrylate)
[GFP]
 
     

En 2000, la consommation annuelle de latex synthétiques est de 25 millions de tonnes. Les caoutchoucs synthétiques ou élastomères, sous forme solide ou de latex, constituent 5 % du chiffre d’affaires de la chimie organique, soit 1,1 milliards d’euros.

Les fournisseurs de latex sont nombreux. Citons par exemple BASF SE, Celanese, Dow Chemical, Styron, Synthomer, Wacker Chemie, Clariant International, DIC Corporation...

Les latex les plus utilisés pour coucher un papier sont détaillés dans les paragraphes suivants. La taille de leurs particules est généralement comprise entre 0.1 et 0.25 micromètres.

III-4 - Latex de styrène butadiène (SBR)

C'est le latex le plus utilisé dans le domaine papetier : 75% des 770 000 tonnes de latex consommées annuellement en Europe de l’Ouest. Largement présent dans notre vie quotidienne, il se retrouve principalement dans les pneumatiques, les adhésifs, les papiers couchés ou encore les moquettes.

Plusieurs millions de tonnes de ce latex sont produits par polymérisation radicalaire en émulsion chaque année dans le monde. Il a de bonnes propriétés et un faible coût. Les facteurs influençant ses propriétés mécaniques sont la température de transition vitreuse, la microstructure des chaînes de polymères ainsi que leur degré de réticulation. Ce latex a connu le plus forts développement industriel et commercial au cours du demi-siècle dernier.

Il représente 40% de la consommation totale en caoutchouc synthétique. Cependant, ce chiffre a diminué à cause du développement des pneus à carcasse radiale.
Les prévisions de croissance du SBR carboxylé sont plus optimistes en raison de la croissance des papiers couchés dédiés à l’impression de qualité et à l’emballage, pour lesquels ce latex est un liant bien adapté et peu onéreux. Prévision de croissance de ce marché : 3% par an en Europe et 10% par an en Chine.

Durant la guerre, le butadiène remplace le méthyle utilisé dans la fabrication du latex. La polymérisation du butadiène en émulsion est décrite dans un brevet de Bayer en 1912. Toutefois, c’est en 1945 que les Américains utilisent le styrène butadiène pour produire les 800 000 de tonnes nécessaires à la Seconde Guerre mondiale. La déshydratation de l’alcool butylique CH3-(CHOH)2-CH3 donne le butadiène CH2=CH-CH=CH2. C’est un monomère souple susceptible de se polymériser en même temps que des monomères rigides.

Il y a trois grands groupes de latex dans la famille butadiène : le styrène butadiène (le plus utilisé), le butadiène méthacrylate de méthyle et le butadiène acrylonitrile.

III-4-1 - Chimie du latex de styrène butadiène

Le styrène est un monomère très réactif qui s’ajoute facilement à n’importe quel radical libre, en donnant un radical stabilisé par résonance. En polymérisation radicalaire, le 1.3-butadiène donne un polymère avec 3 structures : polybutadiène cis-1,4, trans-1,4 ou 1,2. La proportion des trois joue sur la température de transition vitreuse Tg et sur la réticulation (les trois homopolymères ayant des Tg respectives de -106°C, -107°C, -4°C et 105°C pour le polystyrène).

Par ailleurs, la double liaison du polybutadiène 1,2 est beaucoup plus réactive que celle du 1,4 à cause de l’encombrement. Ceci a un effet direct sur la réticulation. Les trois homopolymères n’ont également pas la même température de polymérisation ce qui influe sur la polymérisation radicalaire.

Généralement, on a un copolymère statistique (un butadiène pour un styrène) [Figure 6].

                     
  Figure 6 - Polymérisation du styrène butadiène
[Futura Sciences]
 
     

III-4-2 - Réticulation

Le butadiène n’étant pas linéaire, le latex SBR n'est pas linéaire. Il est fortement branché et la formation de gel est observée dans certains cas. Il ne faut pas dépasser 65% de styrène butadiène pour éviter la formation de gel. Le taux de gel optimal pour le pouvoir liant du latex est alors de 80%. En effet, le pouvoir liant dépend du taux de gel et passe par un maximum.

Le contrôle du gel est fait de deux manières.

Agent de transfert : choix du dodécyl mercaptant car il est consommé de manière régulière tout au long de la polymérisation. Sa présence accélère cette dernière.

Amorceur : choix du persulfate qui génère des radicaux par décomposition thermique. Il apporte aussi des charges à la surface des particules pour augmenter leur stabilité par effet électrostatique. Verdurmen a développé la polymérisation en émulsion du butadiène sans tensioactif, la stabilisation n'étant apportée que par le persulfate.

Tensioactif : choix de l’oléate de sodium qui apporte la stabilité lors de la polymérisation.

Par ailleurs, la polymérisation à basse T permet d’améliorer les propriétés mécaniques et de mise en œuvre du polymère grâce à un taux de branchement plus bas et une augmentation du taux de polybutadiène trans-1,4. Il s'agit de SBR à froid.

III-4-3 - Procédé d’obtention du latex de styrène butadiène

Les étapes de formation d’un latex sont les suivantes :

Le latex SBR est commercialisé essentiellement sous forme solide. Le tensioactif est donc choisi non seulement pour assurer une bonne stabilité du latex durant la polymérisation mais aussi afin de casser la dispersion après polymérisation lors de la coagulation. Le tensioactif qui reste dans le SBR influence aussi la mise en œuvre du caoutchouc.

Principales évolutions de la composition du latex SBR [Tableaux 11, 12 & 13].

Ingrédients Parties (en masse) pour 100 parties de monomère
Styrène 25
Butadiène 75
Eau 180
Oléate de sodium 5
N dodécyl mercaptan 0.5
Persulfate de potassium 0.3

Tableau 11 - Composition d'un latex durant la guerre

A 50°C, sous agitation, une conversion de 75% est obtenue en 12 heures.

Ingrédients Parties (en masse) pour 100 parties de monomère
Styrène 28
Butadiène 72
Eau 200
Sel de potassium de colophane dismutée 48
Peroxyde d'isopropyl cumène 0.08
FeSO4 0.2
tDDM 0.21

Tableau 12 - Composition d'un latex fabriqué par polymérisation à basse température

Au bout de 14 heures à 5°C, la conversion atteint 60%.

Le latex de styrène butadiène est parfois carboxylé. La carboxylation a un double avantage :

C’est pourquoi en matière d'enduction des papiers, le latex carboxylé est préféré.

  Ingrédients Parties (en masse) pour 100 parties de monomère
Charge initiale 52.05  
EDTA 0.01
Latex semence 0.6
Alimentation 1
4h 90°
Styrène 46
Butadiène 50
Acide acrylique 4
Agents de transfert 5
Alimentation 2 en parallèle de 1
4h
Eau 14.7
Dowfax 2A1 (tensioactif anionique) 0.5
Tensioactif éthoxylé 0.7
Persulfate de sodium 0.14
Soude Non renseigné

Tableau 13 - Exemple de composition actuelle d'un latex SBR

III-4-4 - Marché et fournisseurs de latex de styrène butadiène

L’industrie du SBR est mature et normalisée [Tableaux 14 & 15].

  Latex SB (t/an) Emulsion SBR (t/an)
Europe 1 700 000 580 000
Amérique 1 800 000 700 000
Asie/Pacifique 700 000 1 100 000
Total 4 200 000 2 380 000

Tableau 14 - Fabrication de latex de styrène butadiène dans le monde
[SNCP]

  Latex styrène butadiène Emulsion SBR
Europe Dow, BASF, Ciba, Polymer latex, Synthomer, Polimeri, Rhodia Dow, Bayer, Polimeri
Amérique BASF, Dow, Mallard Creek, Omnova, Ciba, BFGoodrich DSM, ISP Polymers, Petroflex, Pecom, Negromex
Asie/Pacifique JSR, Sumimoto, Zeon, Dow, Ciba, BASF JSR, Sumimoto, Zeon, PetroChina, Sinopec, Shen Hua, Hyundai
Total 4 200 000 2 380 000

Tableau 15 - Fabricants de latex de styrène butadiène dans le monde

Le latex SBR carboxylé est utilisé pour le couchage du papier, l’enduction des moquettes, les adhésifs et la peinture.

Les fournisseurs de latex SBR sont très présents en Asie : par exemple, la société chinoise Quanzhou Deli Chemical le vend environ 1200 $/tonne sur les marchés orientaux, africains et sud-asiatiques. L’entreprise thaïlandaise Okaya vend du latex SBR dédié aux revêtements de non-tissés et de tissus à 1800-2000 $/tonne.

III-4-5 - Propriétés du latex de styrène butadiène

Employé essentiellement comme liant pour le couchage du papier, le latex de styrène butadiène assure la cohésion entre les fibres du papier et les pigments minéraux déposés à la surface pour assurer les propriétés optiques ou autres. Cette cohésion est particulièrement mise à l’épreuve lors de l’impression.

Ses avantages : facilité d’utilisation, haut pouvoir liant et bonne résistance à l’état humide. Il permet d'obtenir des sauces de faible viscosité et dont l’évaporation d’eau est aisée. Ses inconvénients : faible rétention d’eau, tendance à mousser et forte odeur.

Il est possible de former du latex de styrène butadiène ayant une grande souplesse, une résistance à la lumière (emballage alimentaire) ou encore une bonne perméabilité à la vapeur d’eau. Le latex de styrène butadiène carboxylé améliore le lissé, l’imperméabilité et les propriétés optiques du papier.

Toutefois, étant un latex pétrosourcé, il tend à disparaître du fait de la diminution des les ressources pétrolières et de la demande des consommateurs de produits biosourcés et biodégradables.

II-5 - Le latex de styrène-acrylate de butyle

Formé à partir de styrène et de l’acrylate de butyle, il représente 20% de la consommation annuelle de latex pour le couchage du papier. Le film obtenu avec ce latex possède un haut module d’élasticité et un grand allongement à la rupture. Dans le couchage du papier, il confère à ce dernier des propriétés satisfaisantes en brillance, douceur et capacité d’absorption de l’encre. Dérivé du pétrole, il tend à disparaître.

Fournisseur : Rit-Chem...

III-6 - Le latex polyacétate de vinyle PVAc

Issus de la polymérisation d’un monomère dur, l’acétate de vinyle, ce latex représente 5% de la consommation annuelle de latex pour le couchage du papier. Il pose moins de problèmes d’odeur que le latex de styrène butadiène et présente une bonne résistance aux UV et au cloquage. Cependant, il est sensible à la présence d’eau et est également un latex pétrosourcé.

Il est surtout utilisé pour les papiers en pure pâte chimique en Amérique du Nord et sont fabriqués par Nobel-Boze.

Fournisseurs : Nobel-Boze, Saint-Gobain...

IV - Des matériaux biosourcés pour le couchage du papier

Plan

IV-1 - Amidon modifié

Roquette, deuxième acteur européen sur ce marché, commercialise un amidon soluble à froid obtenu à partir d’un amidon natif ou d’un amidon modifié chimiquement par prégélatinisation (cuisson puis séchage sur tambour). C'est une avancée dans la fabrication de la sauce de couchage mais elle ne concurrence pas directement le biolatex. En effet, bien que biosourcé, l’amidon ne joue pas le même rôle que le latex dans la sauce. Toutefois, cette innovation permet de réduire la consommation d’énergie pour cuire l’amidon.

IV-2 - Amidon et algues combinés

La PRA, association internationale de recherche dans les revêtements, développe le projet PlantPack dédié au revêtement durable pour l'emballage alimentaire à base d'amidon et d'extraits d'algues. Il permettrait d’obtenir un emballage 100% biodégradable et recyclable. La combinaison algues-amidon serait une alternative à l’usage de la pétrochimie dans les sauces de couchage et permettrait de conserver l’avantage de la biodégradabilité du papier carton. Ce produit est en cours de développement par l’Espagnol Itene.

Présentes dans les secteurs alimentaire et pharmaceutique, les algues, possédant de faibles caractéristiques de souplesse et de résistance, ne peuvent être utilisées seules dans l’emballage. Le recours à l’amidon, déjà connu des papetiers, solidifie la sauce de couchage pour qu’elle soit applicable sur un papier. Cependant, il y a un réel potentiel avec les algues. Des chercheurs de l’université d’Alicante ont montré que l’ajout de 5 à 15 % de cendres d’algues permet d’obtenir un béton de plus grande résistance. Les algues pourraient donc servir au couchage du papier pour améliorer sa rigidité et compenser la baisse des grammages. Si ces propriétés sont confirmées, ce produit se positionnerait en concurrence avec le latex biosourcé (latex de PLA).

IV-3 - Amidon hydroxyéthylé

La société Penford pense avoir trouvé la solution en inventant un amidon hydroxyéthylé à partir de maïs. Il améliore la surface du papier couché et offre une prise d’encre accrue ainsi qu'une meilleure adhérence des pigments. Cependant, cette découverte n’élimine en rien le besoin de latex dans la sauce de couchage. En effet, plutôt utilisé pour l'encollage du papier, ce produit est directement ajouté à la pâte diluée. Il a donc un effet sur le support lui-même mais pas sur la sauce de couchage.

IV-4 - Biolatex à base d’amidon

Le latex est primordial dans la sauce de couchage pour son rôle de liant et la tendance actuelle des industries est de trouver des alternatives aux produits dérivés du pétrole afin de réduire leur empreinte écologique. En 2013, EcoSynthetix et le Waterloo Institute for Nanotechnology se sont associés pour rendre les sauces de couchage plus vertes, en s'intéressant à la fabrication de latex biosourcé ou biolatex. Leur technologie, EcoSphere, consiste à remplacer le latex de styrène butadiène par du latex contenant des nanoparticules issues d’amidon de maïs ou de tapioca. Ce biolatex offre au papier un aspect identique et des performances équivalentes voire supérieures, tout en ayant une empreinte carbone réduite. EcoSphere permet d’avoir une plus grande brillance, blancheur et opacité ainsi qu’une meilleure porosité tout en diminuant le coût. L'utilisation de biolatex dans les sauces de couchage permettrait de réduire l’empreinte carbone de 67% par rapport aux sauces réalisées traditionnellement avec du latex synthétique [Figure 7].

                     
  Figure 7 - Réduction de l'empreinte carbone grâce au biolatex
[World Pulp and Paper 2012]
 
     

Prévue pour cinq ans, leur collaboration devrait aboutir à une nouvelle génération de liants en biolatex pour une large variété d’applications. De ce fait, il est possible que cette entreprise soit amenée à réaliser du latex de PLA bien qu’actuellement, aucune publication ne l’annonce.

IV-5 - Polyéthylène biosourcé

En 2012, Stora Enso produit le carton d’emballage CKB avec un couchage obtenu par l’utilisation d’un film polyéthylène biosourcé Triogreen, développé par la société suédoise Trioplast. Pour fabriquer ce film, cette dernière utilise du polyéthylène biosourcé de la société brésilienne Braskem, obtenu à partir de sucre de canne. Doté de propriétés barrière anti-humidité ou anti-graisse, ce bio-polyéthylène possède exactement les mêmes performances que le PE traditionnel tout en réduisant l’empreinte écologique des sauces de couchage. De plus, le PE biosourcé est 100% recyclable.

IV-6 - Latex de PLA ?

L'acide polylactique (PLA) est une matière plastique issue de ressources renouvelables telles que la betterave sucrière, la canne à sucre, le blé, le maïs ou la cellulose. C’est un biopolymère fabriqué à partir de biomonomères issus de la fermentation du sucre dextrose. Les organismes transforment les sucres en monomères puis il y a polymérisation.

Le PLA est un polymère connu depuis de nombreuses années dans le secteur médical : des applications (fils de suture, broches orthopédiques) ont été développées en raison de la biocompatibilité entre ce biopolymère issu de l’acide lactique et l’être humain. Progrès technologique et optimisation du procédé permettent au PLA d'être aujourd'hui disponible pour des marchés de grande diffusion comme l’emballage, les objets mono-usage, les fibres, etc. De nouveaux produits sont en cours de développement et, dans un avenir proche, devraient permettre au PLA d’être plus présent dans des applications durables dans le secteur automobile, les recouvrements de sol ou l’électronique.

Issu de matières premières renouvelables, il est biodégradable et compostable. C’est l'une des options qui peut être utilisée pour gérer la fin de vie de ce polymère biosourcé. De plus, le PLA peut être dépolymérisé afin de revenir au monomère de départ, l’acide lactique. Après purification, ce dernier peut de nouveau servir à fabriquer du PLA.

Le PLA peut être transformé suivant toutes les techniques disponibles en plasturgie. Cependant, il est sensible à l’humidité et à la chaleur comme tous les polyesters [Figure 8].

                     
  Figure 8 - Acide D-lactique et acide L-lactique
[Memoire Online]
 
     

IV-6-1 - Fabrication du PLA

Pour fabriquer le PLA, il faut extraire le saccharose ou le glucose de la plante puis le transformer en acide lactique par fermentation à l’aide de micro-organismes.

Deux types de fermentation possibles.

L’acide lactique est le monomère du PLA. C’est un acide carboxylique hydroxylé de formule C3H6O3, coproduit du bioéthanol. L’atome de carbone 2 portant le groupe hydroxyle est asymétrique ce qui rend la molécule chirale. L’acide lactique se présente donc sous deux énantiomères. Cette propriété de l’acide lactique engendre la production de différents PLA. Le poly-L-lactide (PLLA) est le produit résultant de la polymérisation du L-lactide. Le PLLA a une cristallinité d’environ 37 %, une température de transition vitreuse (Tg) entre 60 et 65°C, une température de fusion entre 173 et 178°C et un module d’élasticité compris entre 2,7 et 16 GPa. En formant l’acide lactique par fermentation, on obtient 99,5 % d’acide L-lactique et 0,5 % d’acide D-lactique, alors que sa formation par la pétrochimie donne un mélange racémique (50/50).

Au niveau industriel, la conversion de l’acide lactique en PLA de masse moléculaire élevée peut être réalisée selon deux types de polymérisation [Figure 9]. La difficulté du procédé réside dans le fait que chaque réaction de condensation dans la polycondensation directe de l’acide lactique génère une molécule d’eau qui dégrade le polymère en cours de formation.

NatureWorks, filiale de Cargill, principal producteur mondial de PLA, utilise un procédé sans solvant et un procédé de distillation pour obtenir différents types de polymères. La première étape consiste à produire à partir d’acide lactique le dimère cyclique, qui existe sous trois formes isométriques, le D-lactide, le L-lactide et le méso-lactide. Le lactide est obtenu en deux étapes de synthèse : oligomérisation de l’acide lactique suivie d’une cyclisation. (On obtient de manière préférentielle du L-lactide si l’acide de départ est l’acide L-lactique et du D-lactide si l’acide de départ est l’acide D-lactique). Une étape de purification est nécessaire pour obtenir un niveau de pureté suffisant pour permettre la polymérisation du lactide en PLA.

Dans une seconde étape, un PLA de haute masse moléculaire est obtenu à partir du lactide par polymérisation à ouverture de cycle, avec généralement de l’octoate d’étain comme amorceur. Ce mécanisme permet de produire un PLA de masse moléculaire contrôlée. La production du dimère cyclique permet de définir l’architecture moléculaire du produit final. En contrôlant le temps de séjour, la température ainsi que le type et la concentration de l’amorceur, il est possible de contrôler le rapport et la séquence des isomères D- et L- dans le polymère final. Mitsui Toatsu emploie un procédé avec solvant pour obtenir un PLA de masse moléculaire élevée par condensation directe en utilisant une distillation azéotropique pour éliminer l’eau de condensation de manière continue. Le produit commercial, Lacea, peut être utilisé pour des applications diverses.

                     
  Figure 9 - Polymérisation du PLA
[Wikipedia]
 
     

IV-6-2 - Propriétés et caractéristiques physico-chimiques du PLA

Propriété du PLA

Caractéristiques physico-chimiques du PLA [Tableau 16]

                     
  Tableau 16 - Caractéristiques physico-chimiques du PLA
[NaturePlast]
 
     

Le PLA, fabriqué en plusieurs étapes, se dégrade facilement. Par ailleurs, lors de sa formation, il piège du CO2.

IV-6-3 - Producteurs de PLA

Le PLA est vendu sous forme de poudre ou de granules à des prix variables d’un fournisseur à l'autre. Les principaux producteurs sont chinois mais l'américain NatureWorks est le leader mondial avec une production de 140 000 t/an [Tableau 17].

                     
  Tableau 17 - Fournisseurs de PLA
[ValBiom]
 
     

Ce biopolymère peut être utilisé pour des applications de courte ou longue durée. Selon l’European Renewable Resources and Materials Association (ERRMA), 160 000 tonnes de PLA ont été consommées en 2008. Aujourd’hui, le PLA sert surtout à fabriquer des emballages ou des gobelets mais il est en pleine expansion, ses propriétés pouvant être utiles dans d’autres domaines. En 2011, l'ERRMA prévoit que 1 650 000 tonnes de PLA devraient être consommées en 2020.

IV-6-4 - Latex de PLA

Ce n'est actuellement qu’une idée, aucune recherche n’ayant été entamée. Cependant, il pourrait constituer une avancée importante. En effet, il serait intéressant de remplacer le latex de styrène butadiène par un latex de PLA car ce biopolymère est biodégradable, biosourcé et ses propriétés sont très intéressantes pour l'enduction des papiers et emballages.

Comment fabriquer un latex de PLA ?

Faute de trouver des publications sur la fabrication de latex de PLA, il nous est difficile de savoir si ce dernier serait viable. Cependant, il est tout de même possible de dire qu'une difficulté réside dans le fait que les particules ne coalescent pas.

Quelles seraient les propriétés d’un latex de PLA ?

Les sauces de couchage contiennent des composés pétrosourcés pouvant poser des problèmes lors du recyclage du papier couché alors que ce dernier, dans son état brut, est un matériau recyclable par excellence. Avec une sauce contenant du latex de PLA, de l’amidon et d’autres additifs naturels, les papiers couchés seraient recyclés facilement.

En comparaison avec d'autres biopolymères, le PLA a l’avantage d’être recyclable, apte au contact alimentaire et barrière aux graisses. Un latex de PLA serait donc un candidat idéal pour le secteur des emballages alimentaires.

Prospective quant à ce marché potentiel

Le latex de PLA reprendrait le marché du latex SBR mais il serait certainement utilisé aussi dans d’autres industries comme les emballages plastiques alimentaires. Le coût de ce latex serait tout de même plus élevé que le latex SBR car le PLA reste un produit cher.

Le PLA étant issu de ressources naturelles à vocation alimentaire, son utilisation massive pourrait poser des problèmes éthiques. D'un autre côté, les législations relatives à la protection de l’environnement et la raréfaction des gisements pétrolifères créent un contexte favorable à la fabrication et à l’usage de ce biolatex à base de PLA. Ce dernier est onéreux car peu employé actuellement mais son prix pourrait baisser dans le cas d’une exploitation industrielle.

Innovation Producteur Remarque Gain environnemental
Amidon modifié Roquette L'amidon ne doit plus être cuit Economie d'énergie
Algues Itene Substituts des revêments dérivés du pétrole Produit biosourcé
Amidon hydroxyéthylé Penford Encollage du papier qui améliore sa surface  
Biolatex à base d'amidon EcoSynthetix Substitut du latex SBR Produit biosourcé
Polyéthylène biosourcé Braskem Alternative au PE classique Produit biosourcé

Tableau 18 - Récapitulatif des innovations

Des recherches sont menées pour améliorer la formulation l'enduction du papier et le rendre plus écologiques. Dans le cadre de cette étude sur la substitution du latex pétrosourcé dans la sauce de couchage, le biolatex à base d’amidon apparaît comme la meilleure innovation qui démontre la possibilité de faire du latex à partir de matériaux biosourcés et l'absence de dégradation des propriétés du papier par l’utilisation de ce produit.

V - Analyse économique

Plan

Les diverses propriétés du PLA rendent son utilisation intéressante pour diverses applications : biomédicales, textiles etc. Notre étude analyse le contexte économique de l'exploitation du latex et du PLA dans le domaine des emballages alimentaires.

V-1 - Chaîne de valeur

Cette chaîne de valeur indique toutes les étapes nécessaires à la réalisation du produit final avant l'apparition des nouveaux entrants [Figure 10].

                     
  Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Figure 10 - Chaîne de valeur initiale
 
     

Avec l'apparition du biolatex, la chaîne de valeur change très peu du point de vue du procédé [Figure 11].

                     
  Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Figure 11 - Chaîne de valeur avec les innovations
 
     

En effet, l’usage de biolatex ne modifie pas les procédés de couchage ou d’impression du papier et ne génère donc aucun coût supplémentaire sur les installations. Cependant, en termes d'empreinte écologique, le biolatex permet d’avoir une sauce de couchage et donc un papier couché 100% biosourcé, biodégradable et recyclable. Désormais, les papetiers peuvent utiliser non seulement des pigments biosourcés mais aussi du latex biosourcé. La sauce de couchage, 100% "verte", et ne dégrade plus le caractère écologique du papier.

V-2 - Marché des emballages alimentaires

Le marché mondial de l’emballage aurait augmenté de 3% en 2013 à 797 milliards US$ selon Smithers Pira (709 milliards US$ selon Visiongain). En 2012, l’Asie représentait 36% du marché total en valeur devant l’Amérique du Nord (23%), l’Europe de l’ouest (22%), l’Europe de l’est (6%), l’Amérique Centrale et du Sud (5%), l’Europe Centrale (3%), et enfin l’Afrique et l’Australie (2% chacun). Il devrait croître annuellement de 4% jusqu’en 2018.

Le papier et carton d’emballage est prépondérant dans l’industrie papetière mondiale (48 % de la production). Il est également le matériau le plus utilisé dans l’emballage (35 % en poids des emballages produits en France).

                     
  Figure 12 - Évolution de la production de papiers et cartons par sortes en France
[Copacel]
 
     
                     
  Figure 13 - Évolution de la consommation de papiers et cartons par sortes en France
[Copacel]
 
     

Le secteur du papier carton d'emballage s’articule autour de trois familles de produits : les papiers d’emballage, le carton plat et les papiers pour ondulé.

Les papiers d’emballage sont utilisés dans la fabrication de sacs industriels, petits sacs, papiers de pliage ou d’enveloppage, papiers techniques et spéciaux.

                     
  Tableau 19 - Utilisations des papiers d'emballage
[Cofepac]
 
     

Le carton plat est utilisé pour la production de boîtes pliantes, boîtiers, étuis ou coffrets de luxe.

                     
  Tableau 20 - Utilisations du carton plat
[Cofepac]
 
     

Le carton ondulé est un constitué par l’assemblage de deux grandes catégories de papiers.

                     
  Tableau 21 - Utilisations du papier pour ondulé
[Cofepac]
 
     

L'emballage alimentaire doit répondre à plusieurs critères.

Favorisés par l'extension de la grande distribution et par la recherche de facilités de services par des consommateurs pressés, l'emballage alimentaire offre un champ d'application privilégié aux papiers et cartons spécialement conçus pour être en contact avec des denrées alimentaires. Matériaux flexibles et solides, ils permettent une grande diversité dans les types d’emballage : soit sous une forme souple (sacherie, conditionnements mécanisés), soit sous une forme rigide (boîtes en carton plat, caisses, découpes en carton ondulé…). Légers, renouvelables, recyclables et compostables, ils ont un avenir prometteur. Les emballages sont devenus également un outil de marketing et de communication indispensables au bon fonctionnement de l'économie. L'imprimabilité du papier carton garantit cette fonction promotionnelle tout au long de la chaîne de distribution.

Une étude réalisée en 2012 par Centréco indique que sur le plan mondial, "le papier-carton représente 31,3 % de la consommation, avec un marché évalué à 210 Mds $. La croissance des marchés agroalimentaires, de l’hygiène-beauté, ou encore des produits électriques et électroniques profiterait au carton ondulé, tandis que celle des produits surgelés ou des médicaments bénéficierait au carton plat. La concurrence entre matériaux est très rude. Dans l'emballage alimentaire par exemple, les plastiques s'installent dans les sucres en poudre, le riz ou les plats cuisinés, domaines auparavant réservés à l'emballage carton".

Au niveau européen, la production d’emballages est dominée par le papier-carton et les plastiques (plus de 66 % du chiffre d’affaires). Les emballages en papier ou carton représentent, en 2009, 34,2 % du chiffre d'affaires européen.

Le bilan 2013 du secteur papiers et cartons, publié en 2014 par la Maison des Industries des Papiers et Cartons, indique que dans un contexte de repli de la consommation apparente de papiers et cartons, qui s’est élevée en France à 8,9 millions de tonnes sur l’année (-3,1%), pour les papiers et cartons d’emballages, "la consommation apparente diminue de manière beaucoup moins marquée (-1,1%). Dans ce segment de produits, les papiers d’emballage souple enregistrent la plus forte baisse (-5,7%), tandis que la consommation des papiers pour ondulé et du carton plat ne subit qu’un faible recul (-0,8% et -0,5%)". Par ailleurs, "soutenue par une bonne utilisation de l’outil de production et par le redémarrage de trois nouvelles usines, la production des papiers et cartons d’emballage affiche une forte croissance en 2013 (+3,1%). Seuls les papiers d’emballage souple subissent une érosion de leur production (-4,4%) tandis que les papiers pour ondulé (+3,4%) et le carton plat (+4,1%) portent la croissance du secteur".

Selon la Commission Européenne, l’industrie des produits alimentaires et des boissons est l’un des secteurs les plus importants et les plus dynamiques en Europe. Or, l'emballage est un élément fondamental pour l'industrie alimentaire. L'emballage alimentaire est un secteur en forte croissance qui a su évoluer et innover ces dernières années – pour répondre à l'évolution du cadre réglementaire ainsi qu'à la pression des consommateurs – notamment sur  la demande en faveur d'emballages durables. Selon les prévisions, le marché mondial du papier et du carton alimentaire va connaître une croissance annuelle de 6% pour atteindre 70 milliards de dollars en 2017, expliquée en partie, par la dynamique en faveur de la durabilité.

V-3 - Contexte législatif et réglementaire des emballages alimentaires en papier carton

Le cadre législatif et réglementaire relatif au contact alimentaire, pléthorique et restrictif, rend la fabrication des emballages alimentaires complexe. La législation vise à sécuriser les points suivants :

Le Règlement (CE) n°1935/2004 du Parlement européen et du Conseil, du 27 octobre 2004, stipule que "tous les matériaux et objets destinés à entrer en contact, directement ou indirectement, avec des denrées alimentaires doivent être suffisamment inertes pour ne pas céder à ces denrées des constituants en une quantité susceptible de présenter un danger pour la santé humaine, d’entraîner une modification inacceptable de la composition des aliments ou d’altérer leurs caractères organoleptiques". Il établit une liste des matériaux considérés comme aptes au contact alimentaire.

En France, il existe des textes plus spécifiques :

Les textes suivants font également référence :

Il y a aussi les normes suivantes :

VI - Perspectives

Plan

L'épuisement des ressources fossiles ainsi que les variations du prix du pétrole ouvrent des voies de développement aux produits issus de la biomasse. De même, les réglementations limitant l'usage de matériaux polluants et non recyclables constituent un contexte favorable à la création et l'usage de matériaux biosourcés pour la fabrication des emballages alimentaires.

De nouveaux acteurs vont investir le marché de l’emballage comme les emballages intelligents à base de nanocelluloses par exemple. Ils vont donc soit réduire la part des emballages papier carton soit l’augmenter puisque de nouveaux constituants couchés sur les cartons, comme le PLA, pourraient remplacer les plastiques. De plus, d’autres matériaux biosourcés – chitosane, acétate de cellulose, hémicelluloses – possédant aussi des propriétés intéressantes, pourraient prendre des parts de marché.

Par ailleurs, il faut prendre en compte la hausse des coûts de production : le coût de l'électricité a doublé en 5 ans et celui des combustibles énergétiques a également augmenté. Il semble nécessaire de prévoir une évolution vers l’utilisation de bioénergie pour produire les papiers cartons dédiés au contact alimentaire.

Enfin, la multiplication des réglementations, toujours plus restrictives, concernant les emballages alimentaires pourrait conduire à la hausse des coûts de production des papiers et cartons pour emballages alimentaires. Cela modifierait le marché des emballages alimentaires : des concurrents pourraient gagner des parts de marché ou encore de nouveaux entrants pourraient créer de nouvelles parts de marché.

VI-1 - Analyse concurrentielle (diagramme de Porter)

                     
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Figure 14 - Analyse concurrentielle du marché du couchage de papier carton pour emballage alimentaire
 
     

Ce diagramme de Porter étudie le marché de l’enduction du papier carton pour emballage alimentaire. Au centre, sont placés les constituants possibles d’une sauce de couchage ainsi que les méthodes d’application de cette dernière.

Ensuite, dans les nouveaux entrants figurent les nouveaux constituants de sauce de couchage ou nouvelles méthodes d’application. Par exemple, les nanocelluloses sont prometteuses dans le domaine de l'emballage auquel elles peuvent conférer de très bonnes fonctionnalités. Il en est de même pour les algues qui pourraient donner des nouvelles propriétés aux sauces de couchage. Par ailleurs, une nouvelle classe de polymères fluorés pour les emballages alimentaires, les perfluoropolyethers (PFPE), permettent de réaliser le traitement anti-taches des papiers et de répondre positivement aux différents tests du secteur alimentaire.

Les micro- et nano-cannelures permettent de rigidifier l’emballage – le dépôt de couche conférant de la rigidité pourrait donc être remplacé – tout en favorisant l'impression d'images plus soignées. S'ils sont traités dans la masse, ces cartons peuvent devenir barrière à l’humidité, à la vapeur d’eau et à la graisse. Ainsi, développés dans le cadre des normes, ils sont parfaitement intégrables au marché des emballages alimentaires. Cependant, leur prix étant élevé, ils conviennent mieux à des marchés de niche.

En outre, des biolatex apparaissent afin de faire du papier couché un produit 100% biosourcé. Le latex de PLA, qui n'est pas encore au stade de la recherche, pourrait être un nouvel entrant puisqu’en plus d’être biosourcé, le PLA est recyclable, biodégradable, apte au contact alimentaire, barrière aux graisses... Dans les sauces de couchage, ce biolatex serait le candidat idéal pour répondre aux problématiques environnementales.

Des substituts pourraient aussi être de nouveaux entrants. En effet, les nanopapiers (emballages intelligents) ou les emballages en bioplastique déjà existants pourraient contrebalancer le marché de l’enduction des papiers. Toutefois, sont-ils assez compétitifs dans le domaine de l’emballage alimentaire qui représente de forts tonnages ?

Pour fabriquer des sauces de couchage mais également les papiers et cartons qui sont couchés pour former des emballages alimentaires, il faut des fournisseurs. Sur la gauche du diagramme, figurent les fournisseurs de matières premières et de procédés. Les fournisseurs de papiers et cartons doivent satisfaire aux réglementations relatives au contact alimentaire. Toutes les matières premières utilisées pour l’enduction des papiers et cartons dédiés aux emballages alimentaires doivent être conformes aux normes de sécurité.

Il faut noter que les fournisseurs actuels de latex ne correspondent pas aux fournisseurs de nouvelles technologies. Cela signifie que ces fournisseurs actuels risquent de perdre leur position de leaders s’ils ne lancent pas de projets de recherche ou de partenariat.

À droite du diagramme, se trouvent les acteurs de ce marché et les entreprises réalisant le couchage.

Enfin, les papiers et cartons couchés sont vendus pour remplir leur rôle d’emballages alimentaires. Les premiers clients sont les imprimeurs et les transformateurs qui leur donnent leur habillage marketing. Puis il y a les industriels de l’agroalimentaire qui souhaitent emballer leurs produits avant de les transférer à une centrale puis aux grandes surfaces de distribution et enfin, aux consommateurs. Dans toute la chaîne, les règles relatives à l'hygiène et au respect de l’environnement doivent être appliquées.

VI-2 - Diagnostic stratégique (matrice SWOT)

Cette matrice SWOT identifie les points forts et les points faibles d’un papier carton couché avec une sauce comprenant un latex biosourcé (voire un latex de PLA) utilisé comme emballage apte au contact alimentaire.

Forces Faiblesses
  • Emballage écologique, biodégradable, renouvelable, recyclable
  • Conformité aux normes d’hygiène et de sécurité alimentaire
  • Propriétés du latex de PLA utilisables dans d’autres domaines
  • PLA = matériau biosourcé, biodégradable, recyclable
  • Empreinte carbone des biolatex réduite
  • Performance des biolatex équivalente voire supérieure à celle des latex classiques
  • Prix des matériaux biosourcés plus élevé que celui des matériaux pétrosourcés
  • Biolatex au stade de la R&D sauf latex de PLA
  • Tous les produits biosourcés ne sont pas recyclables
  • Nouvelles installations éventuellement nécessaires pour fabriquer certains biolatex
Opportunités Menaces
  • Hausse du prix du pétrole donc hausse du prix des latex dérivés du pétrole
  • Développement du PLA dans d’autres secteurs
  • Mise en place de centres de recherche et d'entreprises pour développer des latex biosourcés
  • Renforcement des législations restrictives sur l’utilisation de produits pétrosourcés favorable au développement des latex biosourcés
  • Impossibilité de faire du latex de PLA
  • Législation sur le contact alimentaire
  • Découverte de nouveaux gisements de pétrole
  • Abandon des emballages alimentaires secondaires
  • Ressources en PLA insuffisantes
  • Obligation de changer les installations actuelles pour utiliser le latex de PLA

Tableau 17 - Analyse stratégique du marché

Le facteur de développement actuel majeur est le désir des industriels de fabriquer des produits eco-friendly : pour ne plus subir la hausse du prix du pétrole, le poids des réglementations et par conscience écologique. De même, les consommateurs font de plus en plus pression pour trouver des alternatives aux matériaux dérivés du pétrole. Les variables essentielles sont le caractère biosourcé du produit, sa recyclabilité ou non ainsi que son coût final. En effet, il faut un produit n’utilisant plus de pétrole mais, pour éviter d'épuiser les ressources naturelles, ce produit doit être recyclable. Tous les produits biosourcés ne sont pas recyclables. Par ailleurs, bien que les aspirations sociétales soient en faveur des matériaux et produits "verts", les industriels comme les consommateurs ne sont pas prêts à payer plus cher. Ces nouveaux produits doivent avoir un coût similaire aux produits issus de la pétrochimie.

La fabrication de latex de PLA semble être une stratégie viable. En effet, la production de PLA est aujourd'hui en plein essor. De plus, des entreprises savent produire du biolatex d’amidon : cette connaissance peuvent ouvrir la voie à la fabrication de biolatex de PLA. Ce polymère étant biosourcé, biodégradable et recyclable, le latex de PLA le serait aussi, ce qui satisferait l'un des enjeux de l'économie circulaire : fabriquer des produits biosourcés et recyclables. D’un point de vue financier, le PLA est cher mais un développement industriel pourraient provoquer une baisse de son prix.

VI-3 - Scénarios

IV-3-1 - Scénario 1 - 2050 : le latex de PLA remplace les latex dérivés du pétrole pour l’enduction des papiers cartons

En 2050, le latex de PLA est le plus utilisé dans l'industrie papetière. En 2014, NatureWorks et un laboratoire privé se sont associés afin de réaliser des latex biosourcés dont le latex de PLA.

Hypothèses

En 2050, le latex de PLA surpassent les autres biolatex dans le couchage des papiers comme dans d'autres domaines comme le médical. Sa consommation atteint 2 millions de tonnes et, désormais, NatureWorks partage les ventes avec Roquette qui a délaissé l’amidon pour le PLA.

Probabilité de réalisation : 80%. Des chercheurs savent déjà concevoir du latex de PLA et le secteur des biomatériaux est en pleine expansion. De plus, les propriétés du PLA sont aujourd’hui prouvées.

IV-3-2 - Scénario 2 - 2020 : le latex de PLA n'est pas développé et d’autres biolatex dominent le marché

En 2015, Natureworks collabore avec le laboratoire LGP2 pour mettre au point un latex de PLA afin de remplacer les latex SBR majoritairement utilisés en 2014 dans le couchage des papiers. En 2020, les recherches n’ont toujours pas abouti alors que d’autres acteurs, comme Braskem et BASF, dominent le marché avec des biolatex d’amidon ou de cellulose.

Hypothèses

Par conséquent, le latex de PLA n’existe pas alors que d’autres biolatex apparaissent. L’utilisation du PLA diminue. Les latex synthétiques sont réduits et leurs fabricants investissent pour produire des biolatex.

Probabilité de réalisation : 35%. Le PLA possède des propriétés que les autres biopolymères n’ont pas et la fabrication de latex d'amidon est déjà maîtrise. Cette situation rend le démarrage de recherches sur le latex de PLA très probable, d'autant que les ressources de PLA sont importantes et, s'agissant matériau renouvelable, il ne risque pas d'y avoir une pénurie.

IV-3-3 - Scénario 3 - 2050 : les biolatex n’occupent que 10% du marché des sauces de couchage dominé par les algues

En 2014, les recherches menées sur les biolatex n'aboutissent pas et les biolatex de la société EcoSynthetix ne représentent qu’une très faible part du marché (<1%).

Hypothèses

De ce fait, les algues représentent 90% du marché des sauces de couchage et leur production annuelle dépasse les 2 millions de tonnes.

Probabilité de réalisation : 25%. Il est peu probable que les algues remplacent les latex (elles n’ont pas de pouvoir liant) et que les biolatex ne se développent pas car leur usage dépasse le cadre du couchage du papier pour d’autres domaines comme l’automobile où les algues ne sont pas employées.

VII - Conclusion

Plan

Très présents dans divers secteurs économiques, les papiers couchés ont des fonctionnalités et une valeur ajoutée qui plaisent aux consommateurs. Il existe différentes techniques pour coucher un papier et les composants de la sauce de couchage sont connus (pigments, liant et additifs) mais partiellement recyclables, ce qui est problématique pour un support destiné au recyclage comme le papier. C’est pourquoi les industriels cherchent des alternatives pour formuler des sauces de couchage qui n’empêchent pas ou ne compliquent pas le recyclage des papiers couchés et qui surtout n’altèrent pas leur caractéristique de produits 100% verts. Des pigments naturels sont déjà utilisés. Les études se portent donc sur les latex, pour la plupart synthétiques, la production de latex naturels étant essentiellement dédiée à l’industrie pneumatique.

Certaines possibilités sont envisageables pour remplacer ces latex issus du pétrole. Des nombreuses recherches sont menées sur les biolatex, l’amidon ou encore sur l’introduction d’algues dans le couchage du papier. Les biolatex semblent être la solution la plus probable : ceux développés par EcoSynthetix ont obtenu de très bons résultats sans pour autant changer leur procédé.

Néanmoins, le PLA semble être le meilleur candidat pour remplacer le latex de styrène butadiène majoritairement utilisé dans le couchage des papiers. Ses propriétés seraient très avantageuses pour les papiers cartons destinés aux emballages alimentaires : barrière aux graisses, transparence, aptitude au contact alimentaire, recyclable, biosourcé. Le PLA serait introduit en tant que latex dans la sauce de couchage. Actuellement, aucune recherche sur le latex de PLA n’a été rendue publique. Toutefois, avec un cadre réglementaire toujours plus lourd et l'épuisement des gisements pétrolifères, il semble évident que les fabricants de latex synthétiques lanceront des projets de recherche concernant les biolatex.

Un véritable marché est ouvert au PLA et au latex de PLA, intéressants du fait de leurs propriétés et de leur faible impact environnemental. Outre le marché lié à l’industrie papetière, des films ou des émulsions de PLA pourraient être utilisés dans divers secteurs comme l’emballage, le transport ou le bâtiment.

Enfin, même si le latex de PLA ne voit pas le jour, il est primordial que des biolatex soient développés afin de contribuer à la réduction de l'impact polluant des activités industrielles sur l'environnement.

VIII - Bibliographie - Webographie

Plan

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    Le marché de l'alimentaire.   Emballage
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