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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Peintures décoratives : vers plus de chimie verte ? Révision : 16 avril 2015  
Peintures décoratives : vers plus de chimie verte ?
 
             Hélène CURMI et Joanna DESMAISONS

Élèves ingénieurs 2e année
Mai 2014
Mise en ligne - Avril 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 - Peintures décoratives & nanocelluloses
III - Analyse économique
IV - Perspectives
V - Conclusion
VI - Bibliographie-Webographie
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I - Introduction

Plan

   
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            Peintures décoratives      
  Figure 1 - Peinture décorative
[FIPEC]
 

Dès la Préhistoire, des couleurs sont fabriquées avec des matériaux végétaux ou minéraux trouvés sur place. Les procédés sont transmis oralement de manière approximative. Des manuscrits du Moyen Âge, des manuscrits font état de recettes pour la préparation et l’application des couleurs et des vernis. Les travaux de peinturage les plus fréquents consistent à badigeonner à la chaux pour blanchir et aseptiser les locaux souvent partagés avec des animaux domestiques. Les artistes ont des connaissances empiriques des matières colorantes et des huiles siccatives.

La fabrication des peintures et vernis conserve un caractère artisanal et confidentiel jusqu’au début des années 20. À cette époque, le peintre badigeonne les plafonds à la caséine. Durant la Seconde Guerre mondiale, l’isolement de l’Allemagne provoque un virage dans la circulation des matières premières et accélère le processus d'innovation. Privés du caoutchouc naturel importé d’Extrême-Orient, les Allemands inventent le caoutchouc de synthèse, suivis par les Américains. De ces études de circonstance naissent les progrès éminents de la chimie des peintures : meilleure connaissance des émulsions, création des vinyles et des acryliques, perfectionnement des glycérophtaliques connus depuis 1930, des polyuréthanes, création des silicones et des époxydes.

Selon le Syndicat national des Industries des Peintures, Enduits et Vernis (SIPEV), en France, pour 2014, le secteur des peintures, enduits et vernis enregistre un chiffre d'affaires de 2,5 milliards d'euros et emploie directement 11 500 personnes.

Pour les peintures, il y a cinq secteurs d’activités.

Notre étude s'intéresse à la peinture décorative. Le terme "peinture décorative" désigne l'ensemble des "peintures bâtiment" (mises en œuvre par les professionnels) et l’ensemble des "peintures grand public" (appliquées par les consommateurs pour leurs besoins propres).

Rappelons que chaque individu passe en moyenne 80% de son temps en espace clos ou semi-clos (logement, lieu de travail, école, espace de loisirs, commerces, transports, etc.). Or, divers polluants plus ou moins toxiques ayant des effets sur le confort et la santé, depuis la simple gêne (odeurs, irritation des yeux et de la peau) jusqu'à l'aggravation ou le développement de pathologies comme les allergies respiratoires. La question de la qualité de l'air intérieur est une préoccupation majeure de santé publique. La lutte contre la pollution intérieure est désormais prise en compte dans les préoccupations de performance des projets de construction. Outre la qualité de la peinture et sa compétitivité sur le marché, les consommateurs se sentent de plus en plus concernés par l’utilisation de produits sains et "eco-friendly". D'où l'apparition de peintures contenant des matériaux issus de ressources végétales afin de rivaliser avec les peintures classiques à base de matériaux issus de la pétrochimie.

Où en est l’intégration de la chimie verte, notamment des nanocelluloses, dans les peintures ? Quelles sont les perspectives envisageables pour les peintures biosourcées sur le marché des peintures de décoration ?

II - Peintures décoratives & chimie du végétal

Plan

II-1 - Qu'est-ce qu'une peinture ?

Une peinture est composée d'un liant, d'un diluant (ou solvant, environ 70%), de pigments (ou charges, 5 à 25%), d'adjuvants et additifs (environ 10%). Les divers éléments sont cohésifs à l’état liquide, puis le solvant est évaporé pour former le feuil. Le solvant peut être de l’eau ou de l’huile.

Il ne faut pas confondre encre et peinture. Elles se différencient principalement au niveau de l’application : la peinture sert à recouvrir une surface, l'encre est utilisée dans les procédés d’impression et l’écriture. Cependant, elles partagent les mêmes familles de composants : solvant, matière colorée (pigments ou colorants) et additifs.

II-1-1 - Composants

Pigments

Ce sont des particules solides très fines et insolubles mises en suspension dans un milieu. La diversité de leurs couleurs provient des matières qui les composent. Il existe une énorme quantité de pigments, certains étant comestibles, d'autres toxiques. Ils peuvent être naturels, d'origine minérale ou organique, ou synthétiques.

Les pigments issus de la pétrochimie offrent la plus grande diversité de couleurs. Certains peuvent être dangereux pour la santé. En outre, leur fabrication génère une pollution importante.

Quelques fournisseurs de pigments organiques : Arkema, Maprecos, Azelis, Univar...
Quelques fournisseurs de pigments minéraux : Azelis, Univar, Xatico...

Liants

Une peinture est nommée par son liant. Par exemple, une peinture est dite "glycéro" car son liant est une résine glycérophtalique. À l'eau ou à l'huile, le liant lie les pigments et/ou charges dans le solvant. C'est un élément liquide visqueux ou solide mais non volatil. Il fixe les pigments sur le support pour former le feuil, c'est-à-dire le film sec restant sur le subjectile après le séchage, et donne l'aspect final : velouté, mat, brillant miroir ...

Deux catégories existent en fonction du diluant requis : liants à l'eau (chaux, caséine, colle de peau, œuf, gomme, cire saponifiée, …) et liants aux solvants (huiles végétales: lin, ricin, carthame, œillette, cire d'abeille, cire de carnauba, résines…).

Quelques fournisseurs : OM Group, Wöllner, Univar, Lavollee, Renaulac, DKSH, Otec, K&M.

Solvant

Cette substances a le pouvoir de dissoudre des matières. En premier lieu, il permet d'étendre des matières sur une surface. En outre, il joue un rôle non négligeable au cours du séchage (capacité d'évaporation). Les pigments étant des poudres, les liants des matières solides ou souples (comme l'amidon ou les résines), il faut une matière permettant une fluidification. Souvent, l'eau suffit à cela. Cependant, parfois le liant exige une substance plus agressive. Dans tous les cas où l'eau est un diluant suffisant, il faut l'employer car lors de l’évaporation elle ne rejette pas de produits toxiques, ce qui n'est pas le cas du solvant.

Quelques fournisseurs : Fuchs, Monopol, Safic-Alc, Univar, Lavollée, Brabant, Algimouss, Blanchon, Electrolube.

Charges

Ce sont généralement des matières solides – silice, alumine, craie... – qui n'interviennent pas sur la couleur. En simplifiant, les charges apportent de la matière à la couleur. C'est souhaitable par exemple quand les pigments seuls sont trop chers. Elles peuvent parfois dépasser 95% de la composition totale des peintures. Elles n’apportent pas de propriétés mais permettent de diminuer les coûts.

Quelques fournisseurs : Azelis, OM Group, Univar, Safic-Alcan, Caldic, CMMP...

Adjuvants/additifs

Ils assurent l'équilibre de la peinture dans le temps et confèrent diverses propriétés : viscosité, épaisseur, effet stabilisateur, etc. Citons par exemple l'acide silicique, adjuvant léger qui donne du volume à la peinture, le kaolin qui rend la peinture plus crémeuse, la bentonite qui épaissit les liquides,...

Quelques fournisseurs : Arkema, BRCS Group, Onip, Safic-Alcan, Omya, Azlis, Bluestar Silicones, OM Group, Wöllner, Unikalo, Univar, Dow, Lixol, Troy, Mader, BTC, Clariant, Alterkem.

II-1-2 - Typologie

Dans les peintures décoratives, sont distinguées les peintures intérieures et les peintures extérieures.

Peintures intérieures à l'eau

Le solvant de ces peintures est principalement l'eau (phase aqueuse), contrairement aux peintures à l'huile (phase solvant). Elles sont réputées moins toxiques que ces dernières car elles sèchent par évaporation de l'eau qu'elles contiennent et seraient dépourvues de composés organiques volatils (COV).

Pour améliorer la qualité de l'air et réduire la pollution atmosphérique liée aux COV, plusieurs actions sont menées au niveau européen. Entre autres, la Directive 2004/42/CE vise à limiter la teneur globale en COV de certains vernis et peintures. Cette réglementation veille à assurer l'équilibre entre environnement, contraintes techniques et économiques, en tenant compte de trois critères.

La part des émissions de COV des peintures ne représentent que 3% de l'ensemble des émissions de COV. Dans les peintures destinées au grand public, la teneur en COV doit être inférieure à 30 g/l.

Trois grandes familles de peintures intérieures à l'eau : vinyliques, acryliques et alkydes.

Peinture vinylique

Elle est employée principalement en mélange pour fabriquer des peintures à effets ou bien en sous-couche sur des support tels que : plâtre, plaque de plâtre, enduit de finition et, plus généralement, les fonds absorbants uniformes. Sa souplesse et son adhérence lui permettent d'être une excellente base de peinture pour les fonds poreux à condition que ces derniers soient secs à cœur. Elle est composée principalement d’acétate/vinyle, un mélange de résine élastique qui se marie très bien aux pigments.

Applicable en bicouche, cette peinture pourrait être améliorée en lui donnant par exemple des propriétés épaississantes.

Sur le marché, son prix varie entre 0.5 et 5 euros par m².

Peinture acrylique

Son liant est une résine acrylique. C'est une polymérisation en émulsion/dispersion de divers composants acryliques.

Sur le marché, son prix varie de 2 à 5 euros par m².

Peinture alkyde

Elle est composée de résines alkydes en solution dans l'eau. Cette peinture mixte combine les avantages d'une peinture à l'eau et d'une peinture à l'huile.

Bon choix pour l'environnement et la santé tout en ayant des performances élevées, nombre de ces peintures sont labellisées et répondent aux normes environnementales.
L'enjeu pour cette peinture se situe dans l’amélioration de la tenue de la couleur, particulièrement des tons clairs.

Prix au m² : 5 à 7 € Bicouche et 6 à 9 € Monocouche de bonne à très bonne qualité.

Peintures intérieures à l’huile

Leurs solvants sont de type organique comme l'essence, le white spirit, les cétanes aromatiques... Les résines les composant peuvent aussi entrer dans la composition des peintures mixtes (à l'eau), par exemple les alkydes. Les plus résistantes des peintures à huile sont la peinture époxy et la peinture polyuréthane (employées généralement pour les sols).

Peinture époxy

Elle est applicable sur tout support y compris le carrelage, le béton, la pierre... particulièrement en extérieur pour les revêtements de sol de type industriel. La réglementation et la demande poussent les fabricants à la proposer de plus en plus comme peinture mixte au même titre que l'alkyde. Plus résistante que la peinture glycéro, elle est également préférée à la peinture polyuréthane pour les sols extérieurs à fort trafic.

Elle est constituée d'une base contenant un liant polymère époxy qui réagit au contact avec un durcisseur. Son application se fait au rouleau, au pinceau ou au pistolet sur un support sain, propre, sec et poreux en deux couches. Le temps d'application est compté : s'il est dépassé, la peinture n'est plus utilisable. Le séchage se fait par évaporation du solvant. Cette peinture étant toxique, il convient d'assurer une bonne ventilation durant l'application et le séchage.

Peinture polyuréthane

Résistante, elle trouve sa place en intérieur sur les sols en béton ou carrelage mais aussi sur tous types de support en extérieur. Elle entre dans la composition des peintures mixtes. Elle est, par exemple, combinée avec les peintures alkyde ou acrylique mais pas avec la vinylique.

Pour son application généralement bicouche, sur les sols, il est préférable d'appliquer un primaire d'adhérence pour renforcer la tenue.

Composée de résine polyuréthane dans un solvant, la base réagit au contact du durcisseur et sèche par évaporation du solvant. Elle est toxique. En phase aqueuse, de grandes enseignes la proposent notamment sous l'appellation "aquaréthane".

Sur le marché, son prix varie de 5 à 8 € au m².

Certaines peintures décrites pour un usage intérieur sont aussi applicables en extérieur (époxy). Les peintures extérieures possèdent des caractéristiques spécifiques pour résister aux contraintes climatiques. Il existe des peintures extérieures en phase aqueuse ou en phase solvant. Une troisième possibilité est la peinture minérale à chaux.

Peintures extérieure phase aqueuse

Elles sont acryliques, siloxanes, latex ou encore hydropliolites.
Caractéristiques

Peintures extérieures phase solvant

Elles sont essentiellement pliolites.
Caractéristiques

Elles sont plus chères que les peintures en phase aqueuse et peu écologiques.

Peinture extérieure à la chaux

Cette peinture extérieure minérale a plusieurs avantages.

Prix : entre 1 et 18 € le litre, tout dépend des caractéristiques de la peinture.

II-1-3 - Formulation

Une peinture est formulée en fonction de l’usage auquel elle est destinée. La formulation consiste à choisir les matériaux et à les doser avec précision avant de les mélanger. La difficulté est de trouver la formulation qui donne les propriétés escomptées et qui respecte les contraintes physico-chimiques. Que la peinture soit biosourcée ou non, la concentration pigmentaire volumique est considérée comme la grandeur fondamentale dans le domaine de l’optimisation de la formulation des peintures. En outre, il convient de connaître aussi bien les limites des simples mesures de viscosité que l’étude du comportement rhéologique des produits prêts à l’emploi afin d’éviter des défauts tels que les coulures.

II-2 - Tendances

Le secteur des peintures décoratives est en constante évolution afin de se conformer aux changements de la réglementation et de satisfaire les attentes des consommateurs.

II-2-1 - Réglementation

La réglementation est un levier majeur afin d'obliger les industriels à proposer des produits sans danger. Dans le secteur de la peinture de décoration, il est nécessaire d’imposer des contraintes concernant les émissions de COV et de bien informer le consommateur sur la nature du produit.

Étiquetage

Depuis la fin des années 70, la réglementation sur l'étiquetage des peintures, vernis et enduits permet d'informer l'utilisateur sur les conditions d'emploi de ces produits et de l'alerter sur les mesures de prudence à respecter.

Concernant la pollution intérieure, la loi Grenelle 1 soumet les produits de construction et de décoration à un étiquetage obligatoire, notamment sur leurs émissions de polluants volatils (COV), classés de A+ à C. Plus récemment, la réglementation européenne (CLP/SGH - Classification, étiquetage et emballage des substances et mélanges) améliore l’information fournie par l’emballage et l’étiquetage. L’ancien système d’étiquetage et les anciens pictogrammes de danger (de couleur orange) seront abrogés le 1er juin 2015. Au cours de la période transitoire, les deux systèmes sont autorisés.

Gestion des déchets

L'article L.541-10 du Code de l'environnement stipule :
"I.-La fabrication, la détention en vue de la vente, la mise en vente, la vente et la mise à la disposition de l'utilisateur, sous quelque forme que ce soit, de produits générateurs de déchets peuvent être réglementées en vue de faciliter la gestion desdits déchets ou, en cas de nécessité, interdites.
II.-En application du principe de responsabilité élargie du producteur, il peut être fait obligation aux producteurs, importateurs et distributeurs de ces produits ou des éléments et matériaux entrant dans leur fabrication de pourvoir ou de contribuer à la prévention et à la gestion des déchets qui en proviennent."

EcoDDS, éco-organisme opérationnel dédié aux Déchets Diffus Spécifiques des ménages, agit sur le périmètre des produits chimiques pouvant présenter un risque significatif pour la santé et l’environnement, et générateurs de déchets spécifiques des ménages (article R.543-234 du Code de l'environnement). Il organise la collecte et le traitement des déchets, notamment ceux issus de la décoration et du bricolage (peintures, vernis, solvants, résines, herbicides, engrais chimiques, etc). Parmi ses 48 actionnaires, figurent de grandes enseignes de l'industrie chimique et de la distribution. L’éco-organisme couvre un réseau de collecte national de plus de 30 millions d’habitants.

II-2-2 - Axes de recherche

Ces vingt dernières années, la recherche & développement porte principalement sur le caractère durable et la qualité des produits, la facilité et la rapidité de leur mise en œuvre et leur niveau de performance. Les facteurs influents de l’innovation sont avant tout les impératifs d’hygiène, de sécurité et d’environnement, la pression économique mais aussi la problématique des matières premières : en effet, leur abondance ou inversement, leur pénurie ainsi que la variation des prix orientent les laboratoires vers la recherche de substituts.

II-2-3 - Vers une peinture "eco-friendly"

La protection de l'environnement et la préservation de la santé occupent une place de plus en plus importante dans les préoccupations de la société de consommation et de ce fait, dans le monde industriel. Selon une étude FMB/Ifop de 2012, 86% des Français souhaitent utiliser pour leur logement des produits plus respectueux de l’environnement. Les consommateurs, qui réclament moins de chimie et plus de naturel, se tournent vers des produits plus écologiques, notamment dans le monde de la peinture. Les industriels du secteur s'inscrivent dans cette tendance en incluant dans leur offre des ingrédients issus de la chimie du végétal afin de formuler des peintures plus "vertes". Ces avancées concernent avant tout les peintures d’intérieur destinées au grand public.

Résines alkydes

Ces résines qui permettent la liaison des différents composants de la peinture ainsi que son adhérence sur les supports, sont les premières concernées.

À titre d'exemple : confrontées à la demande de liants exclusivement d'origine végétale, les sociétés Vandeputte et Novance ont initié un développement de tels liants avec le fabricant de peintures Maestria et obtenu un polymère 100 % biosourcé. Cependant, dans un premier temps, pour le mettre en phase aqueuse, il fallait utiliser des matières issues de la pétrochimie : au final, le liant était à 95 % d’origine végétale. Par la suite, en utilisant des tensioactifs biosourcés, elles proposent un liant à 100 % d’origine végétale.

Par ailleurs, une offre se développe autour de surfactants permettant de passer en phase aqueuse une résine alkyde conventionnelle. Croda, par exemple, propose aux fabricants de résines alkydes des émulsifiants partiellement biosourcés tout en travaillant à obtenir des émulsifiants 100% biosourcés.

Sur le marché, sont commercialisées des gammes de couleurs utilisant des émulsions d’alkyde végétal : Elements de Tollens de MaterisPaints, Colours nature de Castorama et enVie de Leroy Merlin.

Additifs

La grande diversité des produits existants complique la situation : additifs pour préparer la peinture, la stabiliser, la rendre plus ou moins réactive, etc. Les propriétés de la peinture recherchées étant variables, il existe des agents dispersants et mouillants, des agents épaississants pour régler la viscosité de la peinture durant son stockage et son application, des agents siccatifs, des anti-peau, anti-UV, anti-mousses, durcisseurs... Enfin, il peut y avoir encore d’autres additifs spécifiques au type d’application.

À titre d'exemple : dans sa gamme de produits éco-durables, Coatex du groupe Arkema propose des additifs de rhéologie permettant d’ajuster la viscosité et la dispersion des peintures acryliques.

Pigments

Bien qu’étant d’origine minérale, ils peuvent subir de lourdes opérations industrielles lors de leur synthèse. C’est le cas du dioxyde (ou oxyde) de titane (TiO2), un pigment largement utilisé dans le domaine des peintures car il permet d’obtenir un haut niveau de blancheur. Actuellement, il n’existe aucun pigment blanc capable de remplacer le TiO2. Cependant, Arkema propose les polymères acryliques opaques Celocor® en remplacement partiel de l’oxyde de titane : ils améliorent le pouvoir couvrant des peintures et optimisent leur coût de fabrication.

La recherche progresse et apparaissent des plateformes de production d’acide succinique biosourcé, un précurseur très utilisé en chimie de spécialité notamment dans la synthèse de pigments organiques.

II-3 - Nanocelluloses : les applications possibles

Quelles propriétés les nanocelluloses pourraient-elles apporter aux peintures décoratives ?

II-3-1 - Nanocelluloses

Les nanocelluloses sont issues de la biomasse végétale. Dans le cas du bois, les fibres qui le constituent sont structurées par différentes couches composées de fibrilles de cellulose plus ou moins orientées selon les couches. Ces fibrilles sont à leur tour composées d’un assemblage de microfibrilles qui contiennent des nanofibrilles. Ces dernières sont des chaînes de celluloses alternant parties cristallines et parties amorphes [Figure 2].

                Schéma des composants du bois à différentes échelles      
  Figure 2 - Schéma des composants du bois à différentes échelles
[Crotogino R.]
 
     

Ainsi, le terme "nanocellulose" désigne deux éléments différents : les microfibrilles de cellulose (MFC) [ou nanofibrilles de celluloses (NFC)] et les nanocristaux de cellulose (NCC) [ou nanocelluloses cristallines]. Les NCC correspondent uniquement à la partie cristalline des nanofibrilles alors que les MFC correspondent à l’intégralité c’est-à-dire aux parties amorphes et cristallines [Figure 3].

                Nanofibrilles de cellulose et nanocristaux de cellulose      
  Figure 3 - MFC ou NFC et NCC
[Österberg M.]
 
     

MFC et NCC ont des structures différentes : une forme de spaghetti pour les MFC et de grain de riz pour les NCC. Ce facteur de forme est un élément important pour comprendre les propriétés des matériaux [Tableau 1].

Caractéristiques MFC NCC
Diamètre (nm) 50-100 5-10
Longueur (nm) 1000-2000 100-500
Module de Young (GPa) 150 130-250
Surface spécifique (m2/g) 10-100 500

Tableau 1 - Caractéristiques des MFC et des NCC
[Cerig]

Pour produire des nanocelluloses, différentes sources de cellulose peuvent être utilisées comme le bois ou les résidus de l’agriculture (paille de blé, bagasse…). Il faut généralement partir d’une suspension de fibres cellulosiques obtenue par un procédé kraft ou au bisulfite.
La première étape consiste en un prétraitement pour obtenir une cellulose plus pure afin de réduire la consommation énergétique dans les procédés en aval.

L’étape suivante du procédé de fabrication diffère selon ce que l’on veut obtenir. Les NCC sont obtenus par un traitement chimique alors que les MFC sont obtenus par un traitement mécanique.

Pour les NCC, une hydrolyse acide permet de couper les chaînes de celluloses entre les parties amorphes et les parties cristallines. Ensuite, une dialyse permet de séparer les constituants afin de ne garder que le NCC.

Pour les MFC, différents traitements mécaniques existent.

                Fabrication de MFC : principe de fonctionnement d'un fluidiseur      
  Figure 4 - Fabrication de MFC : principe de fonctionnement d'un fluidiseur
[FCNT]
 
     
        Défibreur  
  Figure 5 - Défibreur
[Österberg M.]
 

Issus de ressources renouvelables, les NCC et les MFC sont recyclables, biodégradables et biocompatibles. Les études toxicologiques réalisées à ce jour montrent que ces nanocelluloses ne sont pas toxiques [Tableau 2].

MFC NCC
Thixotrope Forme suspension stable
Absorption d’humidité Bonne propriété optique
Stabilité dimensionnelle Peut s’orienter dans un champ électrique ou
magnétique
Résistance Résistance et rigidité
Stabilité thermique Auto-assemblage en film lors du séchage

Tableau 2 - Principales propriétés des MFC et NCC

Plusieurs laboratoires dans le monde étudient les nanocelluloses et leurs nombreuses applications potentielles [Tableau 3].

MFC NCC
Additifs pour matrices de polymères renouvelables et biodégradables Matériaux composites ; Polymères renforcés
Nanocomposites transparents (écrans flexibles, panneaux solaires...) Films protecteurs et iridescents
Amélioration de la résistance des papiers cartons Produits de papier, d'emballage et de construction améliorés
Matériaux poreux pour isolation et packaging Additifs pour aliments et cosmétiques
Agents floculant et de rétention Textiles très résistants
Modificateurs rhéologiques (cosmétiques, aliments, émulsions...) Produits pharmaceutiques

Tableau 3 - Principales applications des MFC et NCC

La production industrielle a débuté ces dernières années avec CelluForce, joint-venture de Domtar et FPInnovations, et son usine canadienne de nanocelluloses cristallines, Innventia et son usine suédoise ainsi qu'UPM Fibril Cellulose, produisant des microfibrilles de cellulose.

Citons également InoFib, une start-up développée au sein du laboratoire grenoblois LGP2, qui travaille sur l’identification du potentiel technique et environnemental des MFC, notamment pour apporter des propriétés barrière, garantir la recyclablilité ou renforcer des matériaux composites. InoFIb maîtrise le procédé de broyage qui permet d’obtenir ces microfibres de quelques micromètres de long et centaines de nanomètres de diamètre (soit un millionième de la dimension d’un cheveu !). Par ailleurs, les MFC sont généralement produites en présence d’eau, ce qui aboutit à une matière ayant la texture d’un gel, peu adaptée au transport et à la transformation. InoFib utilise un procédé de lyophilisation générant une poudre réutilisable par simple ajout d’eau et traitement mécanique. De plus, les MFC sont débarrassées de leur caractère très hydrophile susceptible d’en limiter les applications industrielles, en modifiant chimiquement leur surface. Mieux, elles sont rendues hydrophobes tout en conservant leur capacité à former un film en séchant. Inofib produit 15 kg/jour d’extraits secs et vise un passage à l’échelle du pilote industriel avec 3000 à 5000 l/h de capacité.

II-3-2 - De nouveaux additifs ?

Propriétés filmogènes

Une peinture doit posséder de bonnes caractéristiques filmogènes pour être applicable sur de grandes surfaces, de manière homogène sans fissures ni craquelures. La matière colorée doit sécher et durcir pour former un film pictural solide et durable. Parmi les substances filmogènes couramment utilisées : caséine, silicates, résines naturelles, cires naturelles, huiles… La solidification (ou siccativation dans le cas de l'huile) peut être permanente (acrylique, aquarelle) ou réversible (gouache, cire).

Liants et adhésifs ne fonctionnent correctement que s’ils mouillent bien les particules à lier (pigments) ou les surfaces à peindre. Les liquides à forte tension superficielle comme l’eau ne sont pas des bons mouillants. L’huile ayant une tension superficielle faible, mouille mieux les surfaces. Il est possible d’améliorer le mouillage grâce à un tensioactif (ex. fiel de bœuf). L’emploi d’un tensioactif peut parfois être indispensable lors du broyage de pigments : le bleu de Prusse et le bleu de phtalocyanine sont des pigments dont les grains portent à leur surface des molécules d’eau. Il est donc difficile de les broyer dans l’huile, car huile et eau ne sont pas miscibles.

Ensuite, si le film est bien liquide et mouille convenablement les surfaces à coller, il pénètre dans les interstices par capillarité, ou bien il est forcé à l’intérieur des anfractuosités par la pression appliquée sur le pinceau qui pose la colle, et il y reste ancré après séchage ce qui est le point clef.

Pourquoi utiliser des nanocelluloses ?

Les microfibrilles extraites de la cellulose ont un très bon comportement filmogène : ajoutées aux peintures en tant que liant organique et végétal, elles permettent un bon mouillage de la peinture sur le support et forme un solide réseau nanoporeux enchevêtré qui emprisonne correctement les pigments et reste solide une fois la peinture séchée.

En outre, la cellulose est un polymère naturel et renouvelable disponible en abondance sur la planète : sa production est de 200 milliards de tonnes par an. Les fibres cellulosiques ont une densité faible (densité de la cellulose = 1,55), sont biodégradables, flexibles, non abrasives et non toxiques (pas d'émission de COV). En termes de coûts (prix de la cellulose = entre 0,5 et 1€/kg), elles sont compétitives. Concernant les nanocelluloses, les prix de vente ne sont pas connus, mais leur fabrication nécessitant des opérations supplémentaires énergivores, cela laisse supposer qu'elles sont plus chères que la cellulose, en restant néanmoins à un niveau raisonnable puisque la matière première n’est pas chère.

Additifs rhéologiques

Ce sont des ingrédients clés de la peinture, car sans eux, elle serait impossible à appliquer : elle giclerait dans toutes les directions, ne serait pas suffisamment opaque pour recouvrir le support et aurait une durée de vie plus courte. Les additifs rhéologiques permettent d’ajuster le comportement à l’écoulement de la peinture en améliorant la viscosité et les caractéristiques d’application.

Principaux objectifs

Sur le plan industriel, les suspensions sont mises au point de manière à assurer une bonne maniabilité tout au long du procédé (fabrication, pompage, transport) ainsi qu’à permettre une bonne application lors de l’utilisation finale par le client. Les enjeux sont importants car les suspensions sont sollicitées à des taux de cisaillement différents lors de la production, du stockage ou de l’application.

Il existe des additifs rhéologiques inorganiques, généralement des argiles ou des silices, et organiques, comme des xanthanes ou des polyacrylates. La plupart des additifs inorganiques sont vendus sous forme de poudre. Ils sont dispersés dans la suspension afin d’agir comme des agents gélifiants. Les additifs organiques peuvent être sous forme de poudre, de pâte ou de liquide.

Pourquoi utiliser des nanocelluloses ?

Elles sont dotées de la propriété physique de thixotropie – phénomène par lequel certains mélanges passent de l'état de gel à celui de liquide par une légère agitation. Ainsi, la peinture contenant cet additif thixotrope peut être transportée plus facilement à l’état de gel et appliquée aisément à l'état liquide. Une fois appliquée, elle se solidifie à nouveau. Disponibles en grandes quantités, d'une faible densité, les MFC ont les propriétés adéquates pour remplacer les additifs rhéologiques actuellement utilisés. De plus, peu sensibles aux variations de température, elles permettent de conserver la qualité de la peinture. Par ailleurs, les MFC ont une distribution homogène dans la suspension et empêchent la sédimentation des autres composants. Enfin, ce sont des matériaux biosourcés en adéquation avec la tendance actuelle à fournir des peintures plus respectueuses de l'environnement.

III - Analyse économique

Plan

III-1 - Des peintures fonctionnalisées

La vocation traditionnelle d'une peinture est de protéger et d'embellir son support, avec de multiples possibilités de finition : aspect mat, satiné, brillant voire à effets (ciré, sablé, laqué, béton, bois, cuir...). Désormais, d'autres fonctionnalités plus spécifiques sont proposées par les fabricants de peintures.

Assainir l'air pour réduire la pollution intérieure

C'est le cas par exemple de Label’Onip Clean’R. Intégrant une résine acrylique, le principe actif de cette gamme de peintures permet la captation du formaldéhyde présent dans l’air intérieur et sa transformation en une quantité d’eau très infime (inférieure à celle produite par le corps humain).

Former une barrière aux ondes électromagnétiques

C'est ce que propose par exemple la gamme de peintures acryliques DX Electro de Duralex, l'une "dont les composants captent les ondes basses fréquences (50 Hz) émises dans le cadre de l’alimentation électriques de nos cadres de vie" et l'autre "de protection qui réduit les rayonnements électromagnétiques sur une gamme d’hyperfréquences étendues (de 400 MHz à 7,5 GHZ) émises par les antennes relais, les téléphones DECT, les portables, les Wi-Max...".

Isoler les murs intérieurs, les façades ou les toitures

La peinture isolante est une peinture acrylique à base d’eau. Sa composition – quatre éléments céramiques liés par différentes résines – lui confère un pouvoir isolant et réflecteur permettant d'améliorer l’isolation thermique de la surface peinte.

Protéger de l'humidité et repousser la saleté

La peinture hydrofuge est une peinture imperméable à l’eau et autonettoyante. En glissant sur la surface de la peinture, l'eau entraîne en même temps les saletés qui s'y trouvent.

III-2 - Produits alternatifs

La peinture n’est pas le seul matériel décoratif. En effet, le papier peint est un secteur de matériel de décoration qui cherche à répondre aux mêmes enjeux.

Papier peint écologique

Il contient une forte proportion de papier recyclé (le pourçentage varie en fonction des marques) et ne contient pas de chlore ni de métaux lourds. De même, les encres imprimées ne contiennent pas de solvants. Ses avantages : il est lavable, recyclable et permet aux murs d’absorber la vapeur d’eau. Cependant, sa commercialisation est aujourd'hui limitée. De plus, le papier peint écologique doit être posé comme du papier peint classique : avec de la colle. Pour une démarche 100% écologique, il faut donc également utiliser de la colle naturelle d’origine végétale.

Papier peint anti Wi-Fi

Développé par le Centre Technique du Papier, les laboratoires IMEP-LAHC et LCIS de Grenoble INP et l’industriel Ahlstrom, Métapapier est une application en électronique imprimée qui se présente sous forme d’un papier à enduire. Utilisé comme revêtement mural, il permet de protéger un espace public (salle de réunion, de spectacle, hôpital, restaurant) ou privé des ondes Wi-Fi ou GSM.

Papier peint photovoltaïque

Dai Nippon Printing a mis au point un prototype de papier peint solaire qui produit de l’électricité avec un rendement de conversion de 7,1 %.

III-3 - Analyse du marché

III-3-1 - Chaîne de valeur, variables essentielles et facteurs clés de développement

La chaîne de valeur du secteur des peintures décoratives permet d’avoir une vision d’ensemble du processus [Figure 6]. Toutes les étapes clés où il est possible d’ajouter de la valeur au produit final sont identifiées. Ainsi, sur l’ensemble de cette chaîne, des modifications en faveur de l'accroissement du biosourcé peuvent apparaître. Il est possible de choisir des matières premières issues de la biomasse, des solvants et procédés plus écologiques, des transports avec des émissions réduites de gaz à effet de serre et une utilisation finale qui n’émet pas de composés toxiques pour l’Homme ou l’environnement.

                     
  Figure 6 - Chaîne de valeur pour l'introduction du biosourcé dans les peintures décoratives  
     

Fabriquer des peintures biosourcées représente un défi au niveau de la production des matières premières. En effet, cela implique d'utiliser moins de pétrole, d'avoir accès à la biomasse et de recourir à la bioraffinerie afin d’extraire des constituants de la biomasse afin de les transformer en sous-produits (liants, additifs ...).

En accord avec cette chaîne de valeur, le système permettant un état des lieux comprend :

Ce système est soumis à des variables externes et internes. En effet, la société souhaite disposer de plus de produits "verts" (variable externe) et la recherche des applications des nanocelluloses est en plein essor (variable interne).

Parmi les facteurs clés de développement, notons la demande sociétale, la recherche scientifique sur les produits biosourcés utilisables, l’évolution de la législation (contrôle accru des rejets de COV), les procédés de fabrication des nanocelluloses (simplification des procédés pour diminuer le coût des nanocelluloses).

III-3-2 - Analyse concurrentielle

Le diagramme de Porter présente de façon synthétique les acteurs de ce marché [Figure 7]. La ligne centrale – marché actuel des peintures décoratives – affiche de nombreux acteurs et activités. Les nouveaux entrants, c'est-à-dire les peintures biosourcées, présentent moins d’acteurs : ce sont essentiellement des organismes de recherche et quelques industries mondiales qui élargissent leurs gammes de produits. Ces acteurs pionniers se lancent dans l’innovation représentée par les produits biosourcés afin de pénétrer un marché dominé par les peintures à solvants et fonctionnelles. Ils bénéficient de l'appui d'un dispositif législatif et réglementaire de plus en plus sévère pour les produits polluants et toxiques, ce qui joue en faveur de l’utilisation de matières premières végétales.

                     
  Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Figure 7 - Analyse concurrentielle via le diagramme de Porter
 
     

III-3-3 - Diagnostic stratégique

Traçons à l'aide de la matrice SWOT les grandes lignes de l’introduction des peintures biosourcées dans le marché des peintures décoratives, en inventoriant les forces, opportunités, menaces et faiblesses [Tableau 4].

Forces Faiblesses
  • Propriétés filmogènes et rhéologiques des nanocelluloses en tant qu’additifs de peinture
  • Faible coût et abondance des nanocelluloses
  • Les grands fournisseurs mondiaux pour les peintures élargissent leurs gammes de produits en proposant des produit biosourcés (additifs, pigments, ...) 
  • Utilisation des nanocelluloses non industrialisées
  • Faibles quantités de nanocelluloses produites
  • Difficulté d’apporter des fonctionnalités aux peintures biosourcées
Opportunités Menaces
  • La tendance est à l’utilisation de matériaux biosourcés
  • Volonté des consommateurs d’utiliser des matériaux plus sains
  • Normes environnementales et sanitaires rigoureuses
  • Grenoble : pôle de recherche sur les nanocelluloses
  • Meilleures performances des peintures non biosourcées
  • Peintures fonctionnelles relèguent au second plan les peintures biosourcées

Tableau 4 - Analyse stratégique via la matrice SWOT

Les forces reposent sur la volonté des industries et des centres de recherche de répondre aux attentes environnementales de la société et de préparer l'après-pétrole. Les freins sont techniques : le passage du prototype à l’industrialisation est délicat, et la recherche n'a pas encore abouti à des peintures biosourcées rivalisant avec les peintures fonctionnelles existantes. Il faudra quelques années pour que le marché des peintures "vertes" arrive à maturité.

IV - Perspectives

Plan

IV-1 - Scénario 1 (tendanciel) - 2024 : Des peintures biosourcées performantes sont commercialisées

Hypothèses

Dès les années 90, le développement durable et la mise au point de produits biosourcés s'imposent comme une nécessité. Un sentiment renforcé dans les années 2020 par l’engouement médiatique autour des problèmes de santé diagnostiqués comme étant les conséquences d’un environnement trop pollué. La tendance est à l’éco-conception et à l’obtention de labels. La demande des consommateurs de peintures décoratives ne nuisant ni à leur santé, ni à l’environnement, s’accroît.

En parallèle, les propriétés filmogènes et rhéologiques des nanocelluloses permettent de les substituer aux matériaux pétrochimiques utilisés comme liants et additifs dans les peintures. La coopération entre la start-up InoFib et la joint-venture CelluForce permet de produire de grandes quantités de nanocelluloses. Le fabricant de peintures Mader saisit cette opportunité d’investir cette part de marché encore neuve. Il se lance le premier dans la commercialisation de peintures contenant des nanocelluloses. Une bonne campagne marketing séduit les consommateurs qui adoptent les peintures biosourcées bien que leur prix, en raison de leur caractère innovant, soit légèrement supérieur au prix du marché, mais appelé à diminuer au cours des prochaines années.

IV-2 - Scénario 2 (optimiste) - 2035 : Les peintures décoratives sont 100% biosourcées et fonctionnelles

Hypothèses

Intéressés par la protection de l'environnement et l’utilisation de produits "verts", les consommateurs veulent également que les peintures leur fournissent des performances techniques spécifiques : barrière aux ondes électromagnétiques, absorption de l'humidité, etc. Or, des études montrent que des produits biosourcés répondent à ces attentes. Les propriétés des nanocelluloses sont exploitables dans les peintures fonctionnelles. Peintures biosourcées et peintures fonctionnelles ne s'opposent plus.

De plus, les politiques en faveur du développement durable ainsi que l’épuisement des ressources fossiles poussent l'économie vers un avenir plus respectueux de l’environnement. La hausse du prix du baril de pétrole a un impact sur de nombreuses industries, y compris celles des peintures. Le coût des matières premières est un paramètre essentiel pour les entreprises qui se tournent vers des matériaux plus légers, plus abondants et qu’elles peuvent en outre utiliser comme argument marketing : les nanocelluloses.

IV-3 - Scénario 3 (pessimiste) - 2035 : Les peintures fonctionnelles relèguent les peintures biosourcées au second plan

Hypothèses

Développement durable, économie d’énergie, réduction de la consommation : prise de conscience ou effet de mode ? Indéniablement, les campagnes de prévention, le tapage médiatique et les conséquences visibles de la pollution notamment industrielle sensibilisent les citoyens et leur donnent envie d’utiliser des produits plus sains et plus naturels, dont ils connaissent la provenance et qui ne participent pas à la pénurie des ressources fossiles.

Cependant, une autre tendance se développe également depuis les années 2000 : l'attraction pour le high tech et l’hyperfonctionnalisation des produits qui doivent offrir à une clientèle exigente une large gamme d’applications possibles. La peinture décorative n’échappe pas à cette tendance à la gadgétisation. Couvrir et embellir les murs ne suffit plus, elle doit aussi protéger des ondes, être hydrofuge ou encore photovoltaïque.

En dépit des recherches menées sur les nanocelluloses, ces dernières, si elles permettent de fabriquer des peintures performantes en termes de couleur, de texture et de maintien, ne suffisent pas pour ajouter des fonctionnalités spécifiques. Des fournisseurs qui proposent des peintures fonctionnelles entrent en concurrence directe avec le marché des peintures biosourcées et ce, à des prix compétitifs. Il est vrai que les matériaux biosourcés ont un coût non négligeable qui peut être un frein à l'investissement dans des produits plus respectueux de l’environnement.

V - Conclusion

Plan

Aujourd'hui, la fabrication des peintures fait appel principalement à des solvants dérivés du pétrole. Toutefois, leur emploi commence à être limité par les politiques menées en faveur de la réduction des émissions de composés organiques volatils (COV). Les peintures sans solvant, en phase aqueuse ou en poudre, se développent.

Le secteur de la peinture décorative évolue en intégrant des matériaux biosourcés afin de satisfaire les exigences environnementales et sanitaires, poussé par le développement des normes et réglementations plus rigoureuses. De même, les mentalités changent. Les consommateurs demandent des produits de qualité, plus respectueux de l’environnement, d'où l'intérêt stratégique des industriels à développer ces peintures biosourcées.

L’innovation se situe dans l’utilisation des nanocelluloses, ressource végétale disponible en grande quantité, aisément accessible et dont les propriétés mécaniques, filmogènes et rhéologiques conviennent à la formulation des peintures. Les recherches scientifiques sont prometteuses quant aux diverses applications de ce matériau issu de la biomasse.

Cependant, la concurrence de matériels de décoration (peinture ou papier peint) offrant des fonctionnalités techniques attractives est aujourd’hui une menace pour les peintures décoratives biosourcées. En effet, bien que les consommateur soient sensibles aux problématiques environnementales, ils n’en restent pas moins friands de produits high-tech. L'offre de peintures biosourcées doit être améliorée afin de rivaliser avec des produits aux multiples fonctionnalités.

VI - Bibliographie - Webographie

Plan

    Fédération des Industries des Peintures, Encres, Couleurs, Colles et adhésifs, Préservation du bois.   FIPEC
Consulter
    Syndicat national des Industries des Peintures, Enduits et Vernis.   SIPEV
Consulter
    Bâtiment et villes durables : qualité de l'air intérieur   Ministère de l'écologie, du développement durable et de l'énergie
Consulter
    Les étiquettes sans prise de tête.   Ecoconso
Consulter
POUPINEL C.   Peinture, le guide pratique.   Comprendre Choisir
Consulter
ANKERFORS M., AULIN C., LINDSTRÖM T.   Nanocellulose research and developments at Innventia.   TAPPI International Conference on Nanotechnology for Renewable Materials, 2011
Consulter
GONG G., MATHEW A.P., OKSMAN K.   Preparation of nanocellulose with high aspect ratio from wood.   Luneå Tekniska Universitet
Consulter
FORSSTRÖM U.   From nanocellulose science towards applications. TAPPI International Conference on Nanotechnology for Renewable Materials, June 5-7, 2012
Consulter
KOSKINEN T.M., QVINTUS P., RITSCHKOFF A.C., TAMMELIN T., PERE J. Nanocellulose materials - Preparation, properties, uses. The Finnish Centre of Nanocellulosic Technologies
Consulter
CROTOGINO R.   The economic impact of nanocellulose.   International Symposium on Assessing the Economic Impact of Nanotechnology, March 27-28, 2012
Consulter
ÖSTERBERG M.   Nanocellulose.   Puu-19.4020 - Surface Chemistry and Nanotechnology in Forest Products Technology, 20 janvier 2011
Consulter
    Little helpers love great achievements - Practical guide to rheology modifiers.   BASF
Consulter
    30 millions d’habitants couverts par EcoDDS.   EcoviNews, 14 février 2014
Consulter
  Peintures, vernis et encres : les couleurs de l’industrie. SESSI, n°141, décembre 2000
Consulter
EUDES M., ZANETTE M.   Nanocelluloses et emballages alimentaires.   Cerig, 2012
Consulter
DURAND H., LABAT Y.   Biocomposites pour applications antichoc : quel apport des nanocelluloses ?   Cerig, 2013
Consulter
CLICQUOT C.   Un projet industriel français de microfibrilles de cellulose.   GreenNewsTechno, n°108, 13 septembre 2013
Consulter
    France Peinture.   L'Usine Nouvelle
Consulter
DUREUIL A.   Peinture – Le biosourcé s’invite dans les formules.   Formule Verte, n°7, septembre 2011
Consulter
LATIEULE S.   Peintures biosourcées : la lente ascension des résines végétales.   Formule Verte, n°19, septembre 2014
Consulter
    L'environnement et la santé déteignent sur les rayons.   LSA, 28 mars 2013
Consulter
    Les tendances de la consommation des Français en matière d'aménagement du logement.   FMB/Ifop, Conférence de presse, 26 octobre 2012
Consulter
    CelluForce – La nanocellulose cristalline NCC.   CelluForce
Consulter
    Colle naturelle.   Consulter
SCHAUB C.   Les nanos sortent du bois.   Libération, 14 octobre 2012
Consulter
    InoFib industrialise les microfibrilles de cellulose.   Grenoble IN'Press, juillet 2014
Consulter
PETIT A.   Onip invente une peinture qui assainit l’air intérieur.   Le Moniteur, 27 mars 2013
Consulter
    Des chercheurs grenoblois développent un papier peint anti-wifi.   Le Parisien, 3 mai 2012
Consulter
    Dai Nippon Printing présente son papier peint photovoltaïque.   Enviro2B, 31 août 2007
Consulter
     
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