Les produits destinés à l’électrotechnique et l’électronique doivent répondre aux exigences les plus élevées en matière d’inflammabilité et de résistance thermique. À l’heure actuelle, les biopolymères disponibles sur le marché sont loin de cocher toutes les cases. Récemment, un projet de recherche commun des instituts allemands Fraunhofer WKI et Fraunhofer IAP, spécialisés dans la recherche sur les matériaux biologiques et polymères, de BGS ainsi que d’autres partenaires industriels a enregistré des progrès notables dans le développement de retardateurs de flammes utilisables dans les bioplastiques. Grâce à ces avancées, des matières plastiques 100 % biosourcées pourraient désormais être employées dans l’électronique et l’électrotechnique. Dans le cadre de ce projet de recherche, leur utilisation a été testée pour le compoundage, le moulage par injection et la fabrication additive.
Le projet de recherche, étalé sur trois ans, s’était fixé plusieurs objectifs concernant le développement de nouveaux bioplastiques et matériaux composites biosourcés destinés à l’emploi dans les secteurs de l’électrotechnique et l’électronique. Ils consistaient notamment à élaborer un additif retardateur de flammes exempt d’halogène pouvant être utilisé en petite quantité et à faible coût dans les bioplastiques ainsi qu’à examiner à quel point la réticulation par irradiation est en mesure d’améliorer le caractère ignifuge de ce matériau. « Dans le cadre de notre sous-projet relatif aux effets de la radiation d’électrons sur ces nouveaux matériaux, nous avons défini trois objectifs », explique Dirk Fischer qui dirige le développement d’applications chez BGS. « La réticulation de ce nouveau bioplastique devait d’une part en améliorer la fonction ignifuge et, d’autre part, permettre de coupler le retardateur de flammes au biopolymère. Par ailleurs, nous voulions prouver qu’il est possible de réticuler des biopolymères existants, notamment sous forme de différentes formulations et en combinaison avec des particules de bois. Compte tenu des résultats de nos recherches concernant la réticulabilité et les propriétés modifiées qui en découlent, nous pensons que les formulations plastiques biosourcées pourront être utilisées pour l’électrotechnique et l’électronique », poursuit M. Fischer.
Tests concluants : la réticulation par radiation d’électrons couple le retardateur de flammes à l’acide polylactique (PLA)
Afin d’optimiser le caractère ignifuge d’un matériau, une répartition homogène du retardateur de flammes dans la matrice biopolymère en PLA s’impose. Le couplage à cette dernière devait se faire grâce aux retardateurs de flammes réactifs spécialement développés à cet effet. Les chercheurs se sont servis d’une nouvelle méthode de couplage pour lier les retardateurs de flammes à la matrice, à savoir l’irradiation par faisceau d’électrons accélérés. Depuis de nombreuses années, ce processus non thermique permettant d’améliorer les propriétés de plastiques standards et techniques fait partie des applications courantes dans de multiples secteurs. En revanche, jusqu’à présent, la réticulation par irradiation ne s’applique que rarement aux bioplastiques. Cette dernière permet de modifier les caractéristiques des polymères grâce à la dose d’irradiation qui déclenche des réactions de réticulation et de couplage contrôlables. Les essais effectués ont révélé l’efficacité d’un additif pour lequel il a été possible de prouver que la réaction de réticulation du PLA prédomine sur la dégradation du polymère provoquée par l’irradiation. D’autres additifs ont également été soumis à des tests de grande envergure. « Grâce à ces résultats, nous avons beaucoup appris sur ces additifs, utilisés en partie pour la première fois dans ce domaine, ainsi que sur les processus de traitement de plastique », déclare M. Fischer. « Nous avons notamment réussi à démontrer les effets de l’irradiation sur la réticulabilité de ces nouvelles formulations biosourcées. »
Essais sur les retardateurs de flammes et la réticulation par irradiation pour les formulations à base de bio-polyamides
Par ailleurs, les équipes réunies autour de ce projet de recherche ont développé des formulations ignifuges à base de bio-polyamides (PA) pour le moulage par injection et analysé pour la première fois leur réticulabilité sous l’effet de la radiation par électrons. « Il s’est avéré que, à l’aide d’un additif de réticulation, il est possible de réticuler de manière très efficace les bio-polyamides utilisés – à savoir le PA 6.10, le PA 10.10 et le PA 11 – qui ne présentent dans ce contexte aucun inconvénient par rapport aux plastiques fossiles conventionnels », explique le directeur du projet côté BGS. Les chercheurs ont également pu prouver que l’ajout de particules de bois améliore la performance ignifuge. Tout comme lors des essais précédents avec du PLA et du PBS, le bois a réduit la quantité de chaleur dégagée tout en retardant le moment de l’ignition. Ces résultats prometteurs font l’objet d’activités de recherche continues. « La réticulation des matériaux développés donne naissance à un tout nouveau profil de propriétés. Presque toutes les formulations à base de PA ont révélé une résistance à la traction et un module de Young améliorés ainsi qu’une résistance au choc réduite », dit M. Fischer. « Le projet a également permis de montrer de nombreuses parallèles entre la fabrication et la transformation de formulations réticulables et celles de plastiques conventionnels courants. Ainsi, les bioplastiques ont le potentiel de remplacer les plastiques traditionnels dans de multiples applications, la réticulation par irradiation permettant d’optimiser leur profil de propriétés. Ces progrès ouvrent de nombreuses nouvelles possibilités, et ce aussi bien dans l’électronique et l’électrotechnique que dans l’industrie automobile. Le potentiel est colossal. »
Le projet de recherche
- Titre : Développement de nouvelles applications de bioplastiques et de matériaux composites biosourcés dans l’électronique et la logistique grâce à l’utilisation de systèmes retardateurs de flammes exempts d’halogène.
- Subventionné par : le Ministère allemand de l’Alimentation et de l’Agriculture (BMEL)
- Initié par : l’organisme pour les ressources renouvelables « Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. » (FNR)
Partenaires
- Fraunhofer WKI
- Fraunhofer IAP
- Clariant Plastics & Coatings (Deutschland) GmbH
- Linotech GmbH
- Hesco Kunststoffverarbeitung GmbH
- Kabel Premium Pulp & Paper GmbH
- Hager Electro GmbH
- Rettenmaier & Söhne GmbH
- Georg Utz GmbH
L’équipe du projet :
Rangée avant de gauche à droite : Dr Jens Balko (Fraunhofer IAP), Marc Mohring (J. Rettenmaier & Söhne GmbH), Dr Antje Lieske (Fraunhofer IAP), Jochen Rausch (BGS), Katharina Krupp (BGS) Michaela Loos (BGS) ; Rangée arrière de gauche à droite : Reinhard Lorenz (Georg Utz GmbH), Bernd Nass (Clariant Plastics & Coatings GmbH), Dr Arne Schirp (Fraunhofer WKI), Andreas Neufing (Hager Electro GmbH), Dr Dirk Fischer (BGS)
