210 - Stratégies de valorisation des résidus industriels solides pour un développement durable

Compte tenu des problèmes environnementaux liés à l’utilisation excessive des matières plastiques et à l'épuisement des ressources fossiles, il y a un grand intérêt pour les matériaux durables et respectueux de l'environnement. Ainsi, au cours des dernières années, le développement de biopolymères pour des applications dans lesquelles des polymères synthétiques ou des charges minérales sont traditionnellement utilisés a fait l'objet d’intensifs travaux académiques et industriels. Dans ce contexte, l'application de la cellulose nanocrystalline (NCC) comme renfort dans des matrices polymères a attiré une attention considérable dans ce domaine puisqu'elle offre une combinaison unique de propriétés physiques élevées et d'avantages environnementaux. Dans des matrices polymères hydrophobes, la NCC, grâce à sa taille nanométrique et ses propriétés, est capable généralement d’améliorer d’une façon significative les propriétés thermiques, mécaniques et de barrière de ce type de matrices. Malheureusement, de telles propriétés ne peuvent être atteintes qu’après une excellente dispersion de la NCC dans la matrice polymère. Ayant un caractère hydrophile, la NCC ne possède pas une énergie de surface nécessaire qui lui garantit sa dispersion nanométrique dans ce type de matrices. L’objectif de ce travail est, donc, présenté à la communauté scientifique des stratégies d’hydrophobisation de la NCC afin qu’elle soit capable de se disperser dans des polymères à caractère hydrophobe.

La sensibilité à l’eau, et aux espèces fongiques des propriétés des bio-composites plastiques bois représente un aspect important. Leur utilisation dans des applications extérieures nécessite de porter une attention particulière à la variation des propriétés mécaniques, physiques et structurelles de ces matériaux en fonction des paramètres tels, l’absorption de l’eau et la résistance aux champignons. Bien que l’addition de particules de bois à la matrice polymère permet d'augmenter la rigidité mécanique et la stabilité thermique des composites, il rend toutefois le matériau vulnérable à l’absorption de l’eau et aux attaques des micro-organiques. Les parois des particules de bois sont des structures poreuses permettant une diffusion importante de l’eau et favorisant une biodégradation rapide de ces composites dans des milieux humides, en contact avec les champignons. Dans ce travail, nous avons jugé important de faire une étude complète concernant l'effet de la teneur en sciure de bois et celui de l’agent de couplage sur la biodégradabilité, l’absorption de l’eau et les caractéristiques morphologiques de différents composites HDPE-bois préparés avec et sans agent couplant. L’altération de la structure à la surface des composites et à l’interface particules bois- HDPE sont analysées à l’aide des analyses microscopiques à balayage électronique SEM.

Le chauffage diélectrique est une technique visant à chauffer des matériaux peu conducteurs électriquement et généralement thermiquement. C’est une des techniques d’application des ondes électromagnétiques dans plusieurs secteurs d’ingénierie tels que la télécommunication, l’agroalimentaire, la médecine, la pharmacie, le séchage, etc.

En ce qui concerne le chauffage diélectrique du bois, la majorité des travaux rencontrés dans la littérature sont orientés vers l’utilisation des micro-ondes. Quant aux radiofréquences, il n’y a pas de travaux qui élucident l’impact de ces ondes sur le chauffage et le dégel du bois. C’est dans ce contexte que le projet s’inscrit et a pour objectif la caractérisation du temps de dégel du bois par radiofréquence. A cet effet, l’équation d’énergie, sous forme d’enthalpie volumique, est considérée. Pour la modélisation numérique, nous avons considéré la méthode des éléments finis 3D, par le biais du code ThermoForm.

Pour l’étude, nous avons considérés trois structures en bois : Chaîne blanc, Sapin de Douglas et l’Isorel. Pour l’analyse, deux fréquences sont considérées (1 MHz et 50 MHz) et trois humidité relatives (65% ; 80% et 90%). La température initiale des structures est -15°C.

Dans le but d’améliorer les performances des composites bois-plastique et d’élargir l’éventail d’applications possibles de ces matériaux des applications en plasturgie, une investigation est réalisée sur l’impact des micro-ondes sur le chauffage de ces nouveaux matériaux. Pour cela, la méthode des éléments finis est utilisée pour caractériser l’évolution de la température d’un groupe de biocomposites soumis à des micro-ondes. Pour ce faire, l’équation de conservation de l’énergie thermique couplée à deux différentes formulations de la source radiative à micro-onde a été considérée. De nombreuses simulations numériques ont permis de confronter et de valider les résultats obtenus vis-à-vis des résultats analytiques et expérimentaux issus de la littérature. Ensuite, une étude numérique a été réalisée sur l’impact des micro-ondes sur un groupe de biocomposites.

Dans ce travail, on s’intéresse au problème d’identification de la conductivité thermique des composites bois-plastique. Pour cela, la technique ‘Flash-Laser’ et des outils numériques et d’optimisation sont déployés. Le principe de la méthode consiste à perturber thermiquement un échantillon de géométrie connue et à analyser les valeurs de flux ou de température en certains points du matériau en fonction du temps. La détermination de la conductivité est réalisée par une identification entre un modèle mathématique et une série de mesures expérimentales. Ensuite, nous avons utilisé les valeurs estimés de la conductivité thermique et étudié numériquement l’étape de chauffage infrarouge de thermoformage d'un groupe de composites bois-plastique.

Dans le contexte actuel sur les bio-composites fonctionnels, on constate que la majorité des fibres végétales, extraites de la matière première, ont permis de réduire le coût de la fabrication de produits composites tout en conservant de bonnes propriétés mécaniques. C’est dans ce cadre que nos travaux sont orientés et ils visent la valorisation de plusieurs types de fibres végétales (Alfa, le Coco, la Bagasse de la canne à sucre, le luffa, les fibres de palmier à huile, le doum et la Pomme de pin, etc.) dans les thermoplastiques usuels. Selon nos travaux, nous constatons que les fibres naturelles améliorent la stabilité thermique des composites, tandis que la matrice plastique joue le rôle d’une barrière qui empêche l’absorption de l’eau à travers les parois des fibres, ce qui engendre une diminution du gonflement des fibres. Aussi, nous constatons que la topologie des fibres ainsi que leur concentration massique ont un impact majeur sur les propriétés mécanique, rhéologique et thermique des composites élaborés.

L’objectif clé de nos travaux est la fabrication de matériaux hétérogènes fonctionnels à base de fibres abondantes ou de déchets agricoles qui pourront remplacer graduellement les produits pétrochimiques.

Les nanomatériaux cellulosiques peuvent être grossièrement divisés en deux groupes : i) les nanofibrilles de cellulose (NFC), produites principalement par la désintégration mécanique de fibres cellulosiques prétraitées ou non et ii) les nanocristaux de cellulose (NCC), produits par une hydrolyse acide contrôlée. Ces nanocellulose peuvent être extraites des sous produits agricoles ou de la farine de bois permettant ainsi une valorisation économiquement intéressante de ces déchets. Les applications industrielles potentielles de ces nanocelluloses sont nombreuses. Elles englobent le biomédical, les matériaux super-isolants thermiques, les matériaux intelligents, le nanopapier, etc.. Le nombre des unités de productions industrielles  des nanocelluloses à travers le monde connaissent un accroissement remarquable laissant présager un futur très prometteur pour les nanocelluloses.  

Au-delà des discours marketing et du Green- washing, un des axes de travail de la Fédération est celui du recyclage. L’utilisation de matières recyclées dans les procédés de fabrication permet de diviser les rejets de CO₂ par deux sinon trois, selon les chiffres de la Fédération. "Le Maroc est déjà le leader africain en matière de tri et de recyclage des matières plastiques, plus important encore c’est le premier cas concret d’économie circulaire au Maroc. L’objectif de la Fédération Marocaine de plasturgie est de mettre la plasturgie Marocaine au cœur de la plus importante économie circulaire du continent.

Ce projet énorme impose une analyse de filière de recyclage plastique au Maroc , concevoir la structuration de cette filière à la lumière des freins et exigences locale et consacrer cette restructuration au développement de la compétitivité  régionale et internationale de  l’industrie de transformation des matières plastiques au Maroc

Soucieuse envers la protection de l’environnement mais aussi sous le coup de législations de plus en plus restrictives, l’industrie minière cherche des symbioses avec d’autres secteurs économiques pour recycler de grands tonnages de rejets miniers (essentiellement stériles d’exploitation et résidus de concentration) quand ils sont stables chimiquement. D’autre part, le génie civil est un secteur qui consomme des quantités astronomiques en matériaux naturels divers non sans incidences environnementales, principalement comme sables et/ou granulats dans les routes, les mortiers & bétons, les remblais, les briques, etc. A travers des exemples, la conférence traitera du cadre règlementaire québécois, de la nécessité de caractérisations fines et multidisciplinaires des sous-produits ainsi que certaines applications variées et prouvée scientifiquement.

Les engrenages en plastique présentent plusieurs avantages par rapport aux engrenages métalliques et leur usage va en croissant. Parmi les avantages majeurs, on note leur aptitude à fonctionner sans lubrifiant externe, mais aussi le faible de la mise en œuvre, joint à leurs propriétés intrinsèques exclusives, notamment l’absorption des chocs et des vibrations.  Grâce à ces avantages, ils s’imposent dans les applications telles que les articles électroménagers et les équipements de bureau, l’industrie alimentaire et du transport. Par ailleurs, les thermoplastiques « hautes performances » utilisés dans la fabrication des engrenages sont excessivement chers, comparés aux thermoplastiques « grande diffusion » tels que le polypropylène (PP) et le polyéthylène (PE). La hausse du prix du pétrole par son épuisement, la non-renouvelabilité et la pollution engendrée par ces plastiques imposent de trouver d’autres sources de matières premières pour les remplacer en tout ou en partie (matériaux composites). L’alternative proposée dans notre programme de recherche consiste à renforcer des thermoplastiques par des fibres courtes de bois, en particulier les fibres de bouleau et de tremble très répandues au Québec.

Dans ce projet nous étudions en particulier le cas des engrenages ; l’objectif à long terme est d’étudier l’amélioration de la chaîne de conception, de fabrication et d’optimisation du comportement de ces matériaux tout en assurant un aspect écologique important par l’augmentation de leur degré de possibilité de recyclage.

Les fibres naturelles ont un grand potentiel de remplacer les fibres synthétiques. Elles ont plusieurs avantages, entre autres, des propriétés mécaniques spécifiques supérieures ou égales à celles des fibres de verre. Malheureusement le manque des données concernant leur durabilité et ainsi que leur résistance au dommage a limité leur utilisation dans les applications structurelles. Ce travail s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre Ryerson et le laboratoire LM3, et a pour objectif de préparer le terrain pour les industriels Canadiens afin de développer des produits à valeur ajoutée à base de fibres naturelles.

Dans ce travail nous présentons une nouvelle approche pour modéliser le comportement des matériaux composites à fibres de lin.  Le modèle est inspiré de celui développer précédemment par Ladevèze and Le Dantec pour les matériaux composites à fibres synthétiques. Nous avons introduit une nouvelle équation constitutive pour capturer le comportement en tension de ces fibres naturelles. Les paramètres du modèle proposé sont identifiés pour plusieurs configurations du composite. Par ailleurs, les résultats de nos simulations numériques sont en bon agrément avec ceux obtenus expérimentalement.

Ce travail est une première tentative pour simuler le comportement des composites laminés à fibre naturelles en cas de chargement en tension, et peut être étendu davantage pour capturer le comportement dans le cas d’un chargement transversal ou en cisaillement en revisitant les lois de comportement relatifs à l'endommagement et à l'évolution inélastique.

Nos études ont porté sur l'utilisation de ressources renouvelables obtenues à partir de fibres lignocellulosiques pour la préparation de matériaux biosourcés allant de l'échelle macro à nanométrique. Quelques exemples sont présentés.La lignine est l'un des principaux constituants de la biomasse lignocellulosique et c'est un sous-produit des bioraffineries liées à la production de pâtes à papiers et de bioéthanol (éthanol cellulosique). La présence de fonctions hydroxyles phénoliques et aliphatiques dans la structure chimique de cette macromolécule permet son application dans les synthèses de résines phénoliques et de polyuréthanes respectivement. Ces polymères ont été utilisés comme matrices dans la préparation de composites renforcés par des fibres lignocellulosiques, ainsi que pour produire des matériaux filmogènes. L'électrofilage à température ambiante a été appliqué avec succès à des solutions préparées à partir de lignine et / ou de cellulose, avec en plus du poly (éthylène téréphtalate) recyclé (PET). Des membranes (“mats”) composées de fibres nano/ultrafines ont été préparées. Les résultats ont indiqué que les propriétés des membranes peuvent être ajustées en ajoutant de la cellulose et / ou de la lignine à des solutions polymères postérieurement électrofilées. Des matériaux composites et des membranes (“mats”) présentant d'excellentes propriétés ont été obtenus à partir d'une forte teneur en sous-produits solides constitués de matières premières renouvelables, ainsi que de polymères recyclés. L'ensemble des études correspondent aux attentes actuelles.