Les bioplastiques dans les emballages rigides : le matériau, sa mise en forme et sa modélisation

Les bioplastiques sont de plus en plus utilisés pour de multiples applications. De tous les bioplastiques disponibles sur le marché, le polylactide (PLA) est le bioplastique le plus répandu à cause de ses propriétés améliorées et de son prix de plus en plus compétitif. Parmi toutes les applications possibles pour le PLA, les contenants rigides à usage unique utilisés dans le domaine alimentaire et dans les produits de consommation tel l'électronique, offrent un fort potentiel de développement. Ces contenants sont majoritairement moulés par thermoformage en continu, avec ou sans l'aide de poinçon assisté. Le matériau présentement privilégié pour ces contenants est le polyéthylène téréphtalate sous sa forme amorphe (aPET). En 2004, profitant de son aspect écologique, de l'introduction du concept de développement durable et de la dépendance aux plastiques issus du pétrole, une première commercialisation et des essais de moulage de PLA furent réalisés. On voulait substituer le PET comme matériau pour des applications ciblées en alimentation rapide. Le PLA proposé ne contenait aucun additif particulier et présentait un comportement mécanique tout juste adéquat. Son aspect vert n'a pas su compenser pour ses faiblesses mécaniques. De plus, sa mise en oeuvre par thermoformage n'était pas à la hauteur de la substitution : sont survenus des problèmes d'éclatement et des craquelures lors de l'alimentation et de la découpe. Ces problèmes ne se présentaient pas avec le PET; lequel profitait de près de 20 ans de développement. Les transformateurs se rappellent de cette première expérience peu concluante, d'où l'intérêt mitigé manifesté pour le PLA par la suite. Cette recherche vise à prouver qu'il est possible de développer une utilisation commerciale à partir d'un PLA naturel, en le rendant plus résistant à l'impact durant sa mise en forme et lors de son utilisation comme contenant. Le PLA Ingeo™ 2003D de NatureWorks LLC est celui qui a été retenu. Ce PLA est conçu pour l'extrusion de feuilles minces qui seront transformées par thermoformage, en des contenants translucides. Il est aussi disponible commercialement et selon des prix pouvant permettre une certaine compétitivité. Dans un premier volet, dont le but est d'améliorer la performance du PLA à l'impact, des mélanges ont été réalisés en le combinant à différents plastifiants naturels tels que des citrates et de l'huile de castor ainsi que certains additifs élastomériques de type shell-core. Ces mélanges ont été transformés en feuilles minces de 400 μm à l'aide d'une extrudeuse mono-vis, profitant ainsi d'une orientation bénéfique, mécaniquement parlant. La résistance à l'impact des feuilles a vi été évaluée selon le test ASTM D5420 Impact Gardner en lieu et place du test ASTM D256 Résistance Izod normalement utilisé en recherche, afin de prendre en considération la forme finale et l'orientation moléculaire des feuilles de PLA. Par l'ajout de certains additifs, la résistance à l'impact a été augmentée d'environ 600 % par rapport à une feuille extrudée uniquement avec le PLA Ingeo™ 2003D; ceci, tout en maintenant un haut niveau de transparence et un minimum de diffusion lumineuse (haze). Le résultat de ce volet est le dépôt d'un brevet, conjointement avec le partenaire commercial, sur la formulation en revendiquant plus que ce seul aspect. Lors du second volet de la recherche, deux formulations optimalisées ont été transformées industriellement par un partenaire industriel, en feuilles de 400 μm, selon des standards de qualité industrielle. Chez un deuxième partenaire industriel, les deux formulations en feuilles ont été transformées à l'aide d'une presse de thermoformage sous vide avec poinçon assisté (THAP), en des contenants de 1 000 ml. Les conditions ou paramètres de production pour ces contenants en PLA (amélioré) ont été comparés, sur les plans qualitatif et quantitatif, à ceux d'une production normale de ces mêmes contenants moulés en PET. Les conditions de mise en oeuvre observées ont été comparables en utilisant le même équipement, les mêmes moules et poinçons ainsi que les mêmes couteaux de découpe. Outre quelques changements mineurs dans les conditions de moulage, les PLA améliorés ont semblé être plus faciles à découper que le PET, car des pressions plus faibles étaient requises. La cadence de production obtenue pour le moulage de PLA a été la même que celle obtenue pour le moulage du PET. Nous avons conclu qu'une situation de substitution sans modification majeure (drop-in) est donc possible sans perte de qualité significative. Finalement, comme dernier volet, différentes formes du poinçon ont été évaluées pour une optimisation de la distribution des épaisseurs de paroi (DÉP) dans le cas d'un contenant de 500 ml moulé en aPET. Et ce, en considérant que l'utilisation d'un poinçon lors du thermoformage par le vide assisté par poinçon (THAP) influence directement la DÉP du contenant, à cause du pré-étirement de la feuille chaude par le poinçon. Dans ce cas précis, les formes et géométries ont été préalablement dessinées sous SolidWorks™ et importées dans le logiciel de modélisation ThermoView™ du Conseil National de Recherches du Canada. Une première série de six formes ont été modélisées individuellement et leurs DÉP ont été analysées avec rigueur. À la suite de vii cette analyse, une deuxième série, composée de trois différents poinçons, a été conçue. Cette deuxième série de poinçons a été également modélisée et la DÉP en résultant fut analysée. En parallèle, ces trois même poinçons ont été usinés et installés sur le même équipement que celui utilisé régulièrement pour le thermoformage des contenants. Une production d'environ 8 000 contenants a été réalisée. Des échantillons significatifs ont été sélectionnés. Les épaisseurs aux coins, aux côtés et au fond de contenants ont été mesurées et comparées à celles issues de la dernière série de simulations. Les épaisseurs réelles et celles obtenues par modélisation ont été comparées. Une forte reproduction a été obtenue pour les coins et les côtés. Seules les épaisseurs du fond du contenant étaient moins en concordance. Les volets de la recherche ont fait l'objet de deux articles scientifiques, soumis pour fins de publication à des revues avec comité de lecture. À la suite des résultats obtenus suite à tous les travaux et activités réalisées dans le cadre de cette recherche doctorale, nous sommes convaincus qu'on peut se servir du PLA comme bioplastique pour la production de contenants rigides à usage unique et ce, en utilisant les outillages et équipements normalement utilisés pour le aPET.