Des "bois-plastiques" pour valoriser les co-produits du bois

L’utilisation des co-produits des industries de transformation du bois en association avec des polymères permet de développer des applications nouvelles, comme les «bois plastiques» qui représentent un marché en extension.
Leur utilisation en menuiserie extérieure permettrait de substituer en partie le PVC, de même que les applications en terrasse ou platelage extérieur éviteraient les traitements chimiques, souvent lessivables, appliqués au bois massif dans ces utilisations. Ces matériaux rentrent donc dans une démarche de développement durable (substitution de ressources fossiles par des ressources renouvelables), mais posent néanmoins des questions d’un point de vue environnemental : bilan énergétique, destruction en fin de vie.

Ici nous nous sommes focalisé sur le sous-système fabrication du produit, considéré comme indépendant des autres. Notre approche est de type prospective qui permet d'élargir l’espace de recherche. Elle peut être utilisée pour rechercher un optimum environnemental dans un espace contraint par un cahier des charges fonctionnelles, où pour une optimisation multi-objectifs. Le cas étudié est celui de l’optimisation multi-objectifs des profils technique et environnemental d’un platelage extérieur en bois polymère. Les matières premières considérées ont été des polymères thermoplastiques, biopolymères et fibres végétales (bois ou fibres annuelles). Les objectifs étaient de valoriser les coproduits de l’industrie du bois (sciures) et les essences peu durables (Pin, Sapin), de développer un produit durable pour application extérieure et d'optimiser son profil environnemental en maintenant son profil technique.

Intégrer l'analyse du cycle de vie pour concevoir de nouveaux matériaux

L’analyse du cycle de vie (ACV) a aujourd’hui valeur de norme internationale pour l’évaluation de tels impacts. Le fait que l’ACV suppose une connaissance précise de toutes les étapes de la vie du produit, depuis la production des matières premières jusqu’à sa destination en fin de vie  rend cependant délicate son utilisation en conception préliminaire.
 

Figure 1 : Cycle de vie d'un produit
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La principale difficulté a été de tenir compte du caractère contradictoire des objectifs : l'accroissement de la fraction massique de bois améliore la rigidité du matériau, mais accroît fortement la fragilité (résistances statique et dynamique), à l’inverse, le thermoplastique améliore la résistance à l’eau et la stabilité dimensionnelle, mais contribue pour 88% à la consommation d’énergies non renouvelables et accroît la déformation différée (fluage) du composite. L’indicateur effet de serre pour une unité fonctionnelle de platelage, mesuré par le biais d’une ACV est évidemment très sensible à l'évolution du ratio polymère/fibre.
Les objectifs scientifiques étaient de construire une méthodologie générique d’éco-conception basée sur une approche d’optimisation multi-objectifs, développer et valider un outil logiciel permettant d’appliquer la méthode et produire des connaissances nouvelles sur les performances mécaniques et environnementales de composites à renforts lignocellulosiques

Le challenge : concevoir un produit optimum sur le plan environnement et performant sur le plan technique

Pour améliorer le profil environnemental tout en maintenant le profil technique, nous avons envisagé les deux pistes suivantes : la modification chimique des fibres  et l’utilisation de thermoplastique (PEHD) recyclé et/ou l’incorporation d’amidon de maïs (PLA) en mélange avec le PEHD. La modification chimique des fibres par acétylation permet de rendre les fibres hydrophobes et donc de réduire la quantité de thermoplastique sans altérer la résistance à l’eau du composite. Son efficacité anti-gonflement est directement liée à l’intensité du greffage, qui devient une variable de conception. L’utilisation de PEHD recyclé et/ou l’incorporation PLA en mélange avec le PEHD permet de réduire sensiblement l'impact environmental du composite.

Dans un contexte où les objectifs visés peuvent être conflictuels, l’optimisation multi-objectifs par essaim particulaire (MO-PSO) fourni un cadre plus adapté en raison de son efficacité reconnue pour résoudre des problèmes d’optimisation complexe. Une telle démarche, appliquée à l’optimisation simultanée des profils technique et environnemental d’un platelage en bois polymère, offre une plus grande liberté de choix de conception par une exploration plus large de l’espace de recherche. Elle permet l’obtention d’un ensemble de solutions Pareto-optimales en conception préliminaire.

Le front de Pareto : améliorer un objectif sans en altérer un autre

La stratégie d'optimisation choisie a été de rechercher dans l’espace des objectifs de conception l’ensemble des solutions Pareto-optimales (front de Pareto). Ces solutions sont telles que l’on ne peut pas améliorer un objectif sans en altérer au moins un autre. La méthode choisie est la méthode MO-PSO, ou "optimisation multi-objectifs par essaim particulaire". Des fonctions objectifs pour les propriétés mécaniques (fluage et gonflement) et la propriété environnementale, limitée à la consommation d’énergie non renouvelable, ont été établies. Chaque fonction objectif dépend de variables de conception identifiées suite à une étude analytique, statistique, ou qualitative. Les fonctions objectifs sont liées par des variables de conception communes.

Nos travaux ont permis la mise au point d’une méthodologie générique d’éco-conception basée sur un algorithme d’optimisation multi-objectifs (l’optimum de Pareto), puis le développement et la validation d’un outil logiciel Ted permettant d’appliquer la méthode et de produire des connaissances nouvelles sur les performances mécaniques et environnementales de composites à renforts lignocellulosiques.
Le logiciel Ted traite tous types de composites pour des applications nécessitant des compromis entre plusieurs objectifs et se trouve ainsi particulièrement adapté aux problématiques d’éco-conception.L’évolution du front de Pareto est visualisée graphiquement. A la fin du processus, les coordonées des solutions Pareto-optimales sont enregistrées dans un fichier au format texte.

L'analyse du front de Pareto et le choix de formulations de compromis intéressantes pour une application industrielle, étant influencés par des contraintes technico-économiques, toutes les solutions optimales sont proposées. Si nous considérons comme principal critère de choix la consommation d’énergies non renouvelables, les compromis favorables se situent dans la zone bleue de du graphe b ci-dessous, dans la partie centrales du front.
Des solutions Pareto-optimales mettant en œuvre différentes teneurs en PLA ou en remplaçant totalement le PEHD vierge par du PEHD recyclé ont été fabriqués par le partenaire industriel et les tests mécaniques sont en cours.
 

Représentations graphiques du front de Pareto (a et b)

De nouvelles formulations de remplacement du plastique :

Des formulations inédites de remplacement du plastique de synthèse par un biopolymère ont été réalisées par un partenaire industriel spécialisé dans la fabrication de bois composite. Les tests de qualification du produit montrent que les performances (durabilité) sont légèrement altérées, mais que le profil environnemental est nettement meilleur. 

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Cette approche s'applique aux problèmes d'optimisation multiobjectif à variables quantitatives et/ou qualitatives pour trouver l'ensemble des solutions Pareto-optimales de conception au sens large de produits issus de l'agriculture.

Un logiciel multi-platteforme (Windows, Linux, Mac OS) a été développé Une interface utilisateur permettant de saisir simplement ses fonctions objectifs est en cours de développement.

Partenaires
Ce travail est issu du projet soutenu par l'Agence Nationale de la Recherche : ANR-PRECODD EcoComposite. il a rassemblé un industriel, un institut technique et l'UMR Sciences du Bois et des Biopolymères INRA-CNRS-Université Bordeaux 1.