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Vendredi 15 décembre 2017

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Nano et Macro celluloses : l’impact à des niveaux différents

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Des voies différentes se concurrencent dans la recherche de l'industrie Canadienne pour de nouveaux débouchés profitables pour la pâte à papier.

La diversification des produits de fibres de l'industrie forestière Canadienne est un sujet important pour Vision 2020 de la FPAC qui envisage une augmentation de 20 milliards de dollars par année des revenus des ressources du bois. Une partie de ces revenus additionnels – et peut-être même un montant substantiel – devrait provenir de nouvelles façons innovatrices d'utiliser la des usines de pâtes Canadiennes. Des voies différentes s'offrent comme candidates à la renaissance de l'industrie de la pulpe. D'abord, il y a la nano cellulose, hautement purifiée et de petite taille – en réalité des fibres décomposées – qui peuvent être utilisées en petites quantités. Puis, il y a les fibres de pulpes familières de grande taille que certains producteurs de pulpe utilisent ou testent pour s'en servir dans des applications bio composites non conventionnelles et innovantes. Il est impossible de les comparer sur le même pied car elles sont destinées à des usages différents suivant des paramètres différents. De petites quantités de nano cellulose peuvent avoir un impact important pour certaines applications tandis que de plus grandes quantités de macro cellulose modifient des produits pétroliers et réduisent de façon significative leur impact sur l'environnement par rapport aux autres produits conventionnels. L'impact de chacun d'eux se situe à des niveaux différents.


  Longues fibres en balles vs nano cellulose en poudre cristalline. De nouvelles applications
  pour chacune 
d'elles peuvent ressusciter l'industrie.
 
Photos : Metso (à gauche) et Celluforce (à droite).

NCC : Chimie spécialisée

La nano cellulose, produit de la pâte de bois, devient de plus en plus populaire depuis qu'elle a retenue notre attention par ses promesses de matériaux composites extra forts et ses nombreuses propriétés physiques uniques. Qui ne peut apprécier ses qualités prometteuses pour l'aérospatiale, l'automobile, l'électronique, l'armement, le conditionnement alimentaire, l'industrie pharmaceutique? La liste fascinante s'allonge sans fin.

Au Canada, les compagnies Domtar et FPinnovations concentrent leurs efforts vers la cellulose nano cristallisée (NCC) grâce à leur projet commun Celluforce. La première usine pilote pré commerciale à 1tpd fonctionne maintenant depuis plus d'un an.

NCC est un produit chimique spécial hautement raffiné et de petites quantités en poids devraient amener des changements uniques et significatifs dans les propriétés physiques de matériaux. À ce jour, on ne peut encore annoncer de percée majeure dans les applications commerciales, mais des essais commerciaux se poursuivent avec plusieurs participants. Nous pensons qu'une entente avec un utilisateur commercial commandera la construction d'une usine à l'échelle commerciale.

Utilisation des fibres en vrac

Mais qu'en est-il de l'utilisation des bonnes vieilles macro fibres de cellulose que les usines de pâte de type kraft produisent par milliers de tonnes depuis plusieurs décades? Vous connaissez ce type de fibre que vous pouvez voir sans avoir besoin d'un microscope. Ont-elles une autre vie .économique que celle de faire du papier? Certainement, comme cela peut se constater dans les développements récents qui incorporent une quantité considérable de pâte de fibre de bois dans des produits qui utilisent actuellement des matériaux de base moins écologiques et plus énergétivores. on trouve ces utilisations dans les pièces détachées d'automobiles bio composites, les boîtiers de produits électroniques, les conteneurs industriels, le mobilier, les électroménagers et une collection de produits faits actuellement avec des plastiques armés de fibre de verre (FRP).

L'utilisation des fibres de bois n'est pas nouvelle, les usines De Tembec de Témiscaming et de Tatras en France, ainsi que quelques autres usines dans le monde le font depuis des années et il en existe un marché florissant et très spécialisé. De plus, les longues années que demandent le développement de l'expertise dans le raffinement et la spécialisation des fibres suivant les besoins de leurs utilisateurs sont un obstacle majeur pour les producteurs de pâtes à papier. Cependant, le marché en plein développement des matériaux bio composites intéresse un bon nombre de producteur de pâte à papier comme Weyerhaeuser, UPM et Södra Cell qui produisent maintenant des bio composites de plastique armé de fibres de pâtes provenant d'usines existantes. Bien sûr, il doit exister des secrets bien gardés et des procédés spéciaux indispensables à la production des fibres qui doivent se combiner avec les matrices de plastique pour fournir les spécifications physiques recherchées. De plus, il faut une grande expertise au niveau de la production du plastique et du moulage. Néanmoins, les produits créés actuellement peuvent utiliser des fibres en grande quantité, environ 40% ou plus. Cela est très doux aux oreilles des producteurs de pâte.

Des pièces d'autos plus légères et plus écologiques

La compagnie Weyerhaeuser a été la première à en faire l'application en industrie automobile en annonçant un partenariat de trois ans avec la société Ford pour le développement de l'utilisation de fibre de bois pour des pièces plus légères en remplacement des plastiques armés de fibre de verre traditionnels. C'est également une solution écologique recherchée par les utilisateurs. Des accoudoirs sont un des premiers prototypes créés suivant les spécifications de Ford.

Weyerhaueser a été encore plus loin que le développement avec Ford en mettant sur le marché leur produit bio composite comme matériau thermoplastique tout usage de moulage. Voir à ce sujet les produits THRIVE® sur le site Web de Weyerhaueser. La documentation donne la liste des spécifications des divers produits standard bien définis de granules composites prêts à mouler avec un contenu de fibres allant de 20% à 40%. Un produit spécial pour utilisation particulière contient 70% de fibres.


 Weyerhaueser et Ford se sont associés pour utiliser de la fibre de cellulose dans des pièces d'automobiles
 plus légères 
qui peuvent remplacer les fibres de verre plus lourdes. Les accoudoirs illustrés ci-dessus
 sont un des premiers prototypes 
qui répondent aux exigences de Ford. Graphique par Ford Motor Company.

Également dans la course, Magna Interiors and Exteriors, au Canada, met au point des procédés de bio composites qui doivent remplacer les plastiques armés de fibre de verre dans ses pièces d'automobiles. Dans un récent numéro de la revue Pulp and Paper International, le directeur de la recherche et développement chez Magna, Monsieur William (Will) Harney, décrit les incitatifs : « Notre but premier est d'accéder aux demandes de nos clients de réduire le poids de leurs véhicules (d'où une réduction de la consommation de carburant). La matrice en polymère armée de fibres devrait ne pas coûter plus cher pour être intéressante ou offrir les mêmes ou de meilleures propriétés d'utilisation. »

Quel poids peut-on économiser et quelle quantité de fibres peut être utilisée dans les matériaux composites? Monsieur Harney prétend qu'un taux de 40%, en poids, de fibre dans un composite de polypropylène amènerait une densité réduite de 15% par rapport à un même matériau avec fibre de verre. Magna étudie la possibilité d'augmenter le contenu de matériau renouvelable dans un matériau composite de polymère qui est actuellement de 50% en poids.

Actuellement, les fibres de pâte de différentes provenances font l'objet d'études de la part d'un partenaire de Magna, Alberta Innovates Technology Futures (AITF). Monsieur Harney précise les buts du programme : « Notre but est d'examiner les différentes sources de fibres disponibles commercialement au pays. Nous cherchons à déterminer les mérites spécifiques à chaque type de fibres, chaque espèce d'arbre et en tirer une conclusion adéquate. » La notion de disponibilité commercialement est très importante de leur politique et il poursuit : « Cette façon de penser implique que les usine de pâte puisse fournir une pâte utilisable sans de grosses dépenses d'immobilisation mais avec une expertise dans les procédés et le contrôle des propriétés des fibres.

La fibre de bois remplaçant de la fibre de verre

La société GreenCore Composites de Toronto est un autre joueur dans le camp des bio composite La technologie NCell® de cette compagnie produit des matériaux composites qui remplacent les plastiques armés de fibre verre énergétivores. Les composites fibre/plastique ont été introduits avec succès dans beaucoup d'usages, des pièces détachées d'automobiles aux contenants rigides, au mobilier et aux produits industriels avec des ventes pilotes sur les marchés industriel et commercial. La capacité de GreenCore de remplacer jusqu'à 40% de polymères synthétique avec de la fibre de bois permet des économies de poids allant jusqu'à 20% par rapport aux matériaux traditionnels avec fibre de verre.

De plus, le producteur de fibres spéciales Tembec a créé un nouveau bio composite qui utilise un procédé breveté transformant les fibres de cellulose en une matrice tridimensionnelle. En combinant cette matrice à une résine thermodurcissable à base de lignine, on obtient un bio composite structural léger tridimensionnel. Quelques applications comprennent les traverses de chemin de fer, les poteaux de lampadaires, les éléments de ponts et d'autres usages dans les domaines de la construction ou des transports.

En Europe, la société UMP a mis sur le marché le composite à base de fibres ForMi et Södra présente le DuraPulp, mélange d'acide poly lactique (PLA) et de fibres. La fibre provient des usines existantes de ces compagnies. Après avoir annoncé des innovations pour des boîtiers à électronique et des enceintes acoustiques, UPM a annoncé dernièrement l'utilisation de son produit dans les bâtis d'armoires de cuisine avec un fabricant Finlandais.

Un nouvel avenir pour les fibres

Dissoudre la pâte pour obtenir la base des fibres de viscose est un autre débouché pour les fibres de bois et plusieurs usines de type kraft ont annoncé récemment leur réouverture et leur reconversion en dissolution de pâte. Ceci est évidemment très profitable à l'industrie Canadienne. Cependant, la dissolution de pâte est un marché international qui existe de longue date et en expansion et a montré dernièrement des signes de saturation. Par contre les bio composite à base de nano et macro fibres représentent un changement dans le marché l'utilisation de la cellulose. Vraiment un nouvel avenir.

Toutes ces différentes utilisations de la cellulose sont vraiment nouvelles et le développement du marché de la nano cellulose et des applications alternatives des macro fibres de la pâte n'en est encore qu'à ses débuts. Pour que la NCC démarre vraiment, il faudra recruter des utilisateurs du produit et il faudra décider d'investir dans des facilités de production. Ceci peut se faire sous forme d'agrandissement d'usines existantes ou en créant de nouvelles usines ayant les fibres en balles ou autrement comme source d'approvisionnement. Dans un article récent de la revue IPW Magazine, Celluforce prévoit d'abord des usines d'environ 50tpd. Pas une forte production mais d'un produit de grande valeur.

Pour l'utilisation des fibres en balles, les usines de pâtes actuelles peuvent être utilisées mais cela pose certaines questions. Il reste encore à prouver (ou au moins à trouver) si des importantes dépenses de capitalisation sont nécessaires pour utiliser la pâte à d'autres fins que de faire du papier. Il serait intéressant de pouvoir changer une pâte d'un grade à papier en un autre grade pour matériaux composites de façon continue avec seulement quelques modifications à la pâte. Mais, est-ce si facile que cela? Évidemment, les producteurs actuels n'en parlent pas.

Les usines de pâtes produisent de la pâte à papier depuis des décennies et connaissent les besoins de leurs clients comme le fond de leur poche. Le service à la clientèle est une seconde nature. Il n'en est pas de même avec les fabricants de plastique ou autres utilisateurs. Pour garantir le bon développement de la nouvelle industrie des fibres, les producteurs de pâte doivent travailler étroitement avec les utilisateurs ainsi qu'avec les fournisseurs d'équipement qui ont l'expérience dans ce domaine.

Est-ce qu'une raffinerie de nano cellulose répondra aux besoins des divers et différents utilisateurs et est-ce que la pâte de grade bio composite deviendra partie de la production d'une papeterie? Le temps dira si ces nouvelles utilisations sont financièrement intéressantes et si elles ont un avenir.


 
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