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Le plastique se fait bio Que penser des
polymères biodégradables
Prof. Philippe DUBOIS Service des Matériaux
Polymères et Composites SMPC UNIVERSITE de
MONS-HAINAUT MATERIA NOVA asbl Place du Parc 20,
7000 Mons http//morris.umh.ac.be/SMPC/
Colloque  Les plastiques biodégradables à base
végétale , Agro-Food Valley, Ath, 10/12/2003
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Aperçu

• Matériaux polymères généralités,
  chiffres-clés, applications
• Elimination des plastiques problématique de
  lemballage
• Biodégradation définition(s) et tests
• Polymères (oxo-)biodégradables
• - via ressources fossiles (pétropolymères)
• - via ressources renouvelables (biopolymères)
• zoom sur leurs propriétés et limitations
• Mélanges (bio)polymères et composites
  biodégradables
• Conclusions et perspectives

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Consommation mondiale en matières plastiques
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Extrait dune correspondance à Herman Staudinger
( 1920)
 Dear Colleague, Leave the concept of large
molecules well alone organic molecules with
molecular weight above 5,000 do not exist. Purify
your products, such as rubber, then they will
crystallize and prove to be lower molecular
substances. Organic molecules with more than 40
carbon atoms do not exist. Molecules cannot be
larger than the crystallographic unit cell, so
there can be no such things as a macromolecule. 
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Consommation mondiale en matières plastiques
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Répartition de la production mondiale en
polymères synthétiques
(en millions de tonnes / an)
Acryliques, polyesters, polyamides,
polycarbonates, polyuréthanes, Résines epoxy,
phénolique, mélamine, polyester insaturé,
PI, SBR, Butyl rubber, EPDM,
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Polymères dutilisation courante production et
perspectives
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Position de la Belgique leadership !
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Domaines dapplication des matières plastiques
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Matériaux polymères issus de ressources fossiles
pétrochimie
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Valorisation des déchets polymères
Valorisations 1 - Matière polymère
Recyclage mécanique
Pétrochimie 7
Pétrole
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Polymères biodégradables
Applications principalement ciblées emballage,
matériaux de calage, films agricoles,
ustensiles de cuisine, non- tissés, détergents,
 jetables ,
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Polymères biodégradables définitions
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Polymères biodégradables définitions (suite)
 Environmentally Degradable Plastics EDPs
is defined as polymeric material-based items that
. retain the same performances as conventional
plastics during use . degrade after use into low
molecular weight compounds by combination of
biological stimuli (by the action of naturally
occurring micro-organisms, such as bacteria,
fungi and algae, and/or enzymes) and/or
chemical/physical stimuli (including light, heat,
oxygen and water) in the environment .
ultimately degrade into CO2 and/or CH4, H2O, and
biomass at comparable and commensurable rate and
extent as known for environmentally degradable
materials like yard waste and paper, and leave no
persistent or toxic residues. 
(AIM Magazine, Vol. 55, suppl. 1, 2001, p.
66-71)
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Biodégradation deux phases essentielles
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Ne pas confondre  Biodégradation et
Biodésintégration 
Processus irréversible par lequel un matériau se
décompose en petits fragments, à peine visibles à
lil nu. Cette désintégration peut être la
conséquence physique dun processus de
biofragmentation (non suivi de la
bioassimilation des monomères/oligomères ou
autres fragments). La désintégration peut
provoquer un changement dramatique des propriétés
physico-chimiques sans aboutir à la
minéralisation/biodégradation ultime du polymère.
(
uniquement PHASE 1 ! )
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Mesure de lindice de biodégradabilité
2 types de mesure
- In vitro, via la mesure de la production de CO2
(test de Sturm) et/ou de méthane, la consommation
dO2 ou la croissance microbienne (dans des
conditions contrôlées) - In situ, réalisé sur sol
et compost (dans conditions connues mais non
maîtrisées)
Autres critères dacceptation composition
initiale du matériau (p.ex., contenu max. en
métaux lourds) éco-toxicité limitée pour le
compost
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Polymères biodégradables pour applications dans
lemballage
Autres projets de normalisation en Europe

• prEN 13695-2 Packaging - Requirements for
  measuring and verifying the four heavy metals and
  other dangerous substances present in packaging
  and their release in the environment -
• - prEN 14045 Packaging - Evaluation of the
  disintegration of packaging materials in
  practical oriented tests under defined composting
  conditions.
• - prEN 14046 Packaging - Evaluation of the
  ultimate aerobic biodegradability and
  disintegration of packaging materials under
  controlled composting conditions - Method by
  analysis of released carbon dioxide.
• - prEN 14047 Packaging - Determination of the
  ultimate aerobic biodegradability of packaging
  materials in an aqueous medium - Method by
  analysis of evolved carbon dioxide.
• - prEN 14048 Packaging - Determination of the
  ultimate aerobic biodegradability of packaging
  materials in an aqueous medium - Method by
  measuring the oxygen demand in a closed
  respirometer.

en discussion !
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Polymères considérés comme biodégradables
Pétrochimie
Agrochimie
Ressources fossiles
Ressources renouvelables
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Grands mécanismes de biodégradation
Polymères à chaîne hydrocarbonée
Polymères à hétéro-chaîne
Peroxydation
hydrolyse
Alcools, acides carboxyliques
Carbohydrates, alcools, acides carboxyliques
Microorganismes
CO2 biomasse
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Peroxydation des polyoléfines (hn,D)
22
Peroxydation contrôlée polyoléfines à temps de
vie programmable
Bioassimilation
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Polyoléfines photodégradables et
oxo-biodégradables
Copolymères poly(éthylène-co-CO) PE-CO (ITW, Du
Pont) Copolymères poly(éthylène-co-vinylcétone)
Ecolyte (Dow, Enviromer) PE/PP/PS
oxo-biodégradables TDPA (EPI)
Principales applications Agriculture films
de paillage, sacs et cordages agricoles,
Emballage films (BOPP, PE rétractables,),
containers, bouteilles et sacs alimentaires
Mais dégradation sur une période de temps (trop)
longue gtgt EN 13432
(actuellement pas dapplication comme emballage,
du moins en Europe)
TDPA (totally degradable plastic agents)
ajoutés comme masterbatch (1à10 -pds)
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Films de paillage polyoléfines photodégradables
vs. oxo-biodégradables
Après 3 mois dexposition solaire
Photos prises du site web dEPI (Environmental
Plastics Inc.)
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Polymères biodégradables courants
Pétrochimie
Agrochimie
Ressources fossiles
Ressources renouvelables
Polyoléfines photo/thermodégradables Polyalcool
vinylique Poly(éthylène-co-CO) Poly(éthylène-co-vi
nylcétone) PE/PP oxo-biodégradables
Polysaccharides Amidon (déstructuré/plastifié) Cel
lulose Chitine et autres
Polyesters aliphatiques Poly(a-hydroxyacide) Poly(
hydroxyalkanoate) Polyester/amide
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Polyesters aliphatiques
Polymères biodégradables à temps de vie contrôlé
(de quelques semaines à quelques mois)
Via clivage de chaîne enzymatique/hydrolytique et
bioassimilation ultime (minéralisation)
Réduction de lémission total en CO2 (lt 30
 polyoléfines )
Propriétés mécaniques comparables aux PS et PP
Biocompatible matériaux biorésorbables
(sutures, implants, matériel
dostéosynthèse,)
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Principaux Polyesters aliphatiques
biodégradables commerciaux
28
Synthèse de polyesters Comparaison des deux
grandes voies
Illustration synthèse de lacide polylactique
PLA
polycondensation ou Polym. douverture de
cycle
Lactide
Acide lactique
29
Applications actuelles du PLA

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Polymères biodégradables courants
Pétrochimie
Agrochimie
Ressources fossiles
Ressources renouvelables
Polyoléfines photo/thermodégradables Polyalcool
vinylique Poly(éthylène-co-CO) Poly(éthylène-co-vi
nylcétone) PE/PP oxo-biodégradables
Polyesters aliphatiques Poly(a-hydroxyacide) Poly(
hydroxyalkanoate) Polyester/amide
Polysaccharides Amidon (déstructuré/plastifié) Cel
lulose Chitine et autres
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Biopolymères Biodégradables
donc disponibles au départ de ressources
renouvelables

• Polysaccharides amidon, cellulose, chitine,
  chitosane
• Protéines gélatine, gluten,
• Huiles végétales soja, lin,
• Polyesters PHAs, PLA

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AMIDON mélanges de 2 polysaccharides
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biopolymères biodégradables propriétés et coût
!! Amélioration des propriétés  barrières  et
thermo-mécaniques !!
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Composites - mélanges polyester/amidon
biodégradables
Polyester aliphatique (PLA ou PCL)
Amidon de maïs, pomme de terre,
(granulés, thermoplastique)
Applications comme films/sacs demballage
 jetables 
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Application non alimentaire de lagriculture
Betteraves
Maïs
Blé
Saccharose/glucose
Amidon
Acide lactique
Composites - mélanges biodégradables (p.ex.,
films demballage)
Compostage
CO2 / H2O ( Biomasse)
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Propriétés typiques des films comparaison
Normes ASTM a) D882, b)D1709A et c) D1922 -
échantillons conditionnés sous 40 dhumidité à
25C pendant 24h avant les tests mécaniques
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Biodégradation des films comparaison
38
Conclusions
Prof. Emo Chiellini (EPF, 2001)
Production and use of biopolymers as
environmentally degradable substitutes for
petroleum non-degradable plastics is a challenge
for the future
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Production de biopolymères biodégradables
2006
Milliers de tonnes
2003
2000
1997
Année
Polylactide production should reach 3.6 millions
metric tons in 2020
tiré de SCIENCE, August 2002 In 2004, all
laptops from Fijitsu Ltd will be in PLA, without
any raise of price tiré de Chem.
Eng. News, April 2002
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Pourquoi pas une nouvelle façon de penser
Biopolymères biodégradables
Mais cela demande encore du temps
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Consommation en énergie fossile pour la
production des principaux pétropolymères et le PLA
du maïs au PLA - 54 MJ/kg -
Partie hachurée énergie fossile utilisée comme
matière première (monomères, solvants,) Partie
noire énergie fossile pour les opérations de
production (fuels) PLA1 production actuelle
PLA Bio/WPprod.future (résidus
agricoles/biomasse/énergie éolienne)
Vink et al. (Cargill Dow), Polym. Degrad. Stab.,
80, 403 (2003)
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Contribution au changement climatique global
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Pour en savoir plus sur les (bio)polymères et
les matériaux dérivés!
Macrogalleria www.psrc.usm/macrog/index.html T
he hall of elevators www.umr.edu/wlf/elevators.
html Plastics in Europe www.apme.org Trends
in plastics www.plasticstrends.net Composites
islnotes.cps.msu.edu/trp/index.html Case
Western University abalone.cwru.edu/tutorial/enh
anced