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Depuis toujours, le bois est un matériau de prédilection pour l'habitat. Ressource naturelle et renouvelable, il est présent dans tout projet qui se réclame du développement durable. C'est pourquoi les recherches se développent pour valoriser le bois à travers de nouvelles applications répondant aux exigences industrielles. Et il n'y a pas que le bois brut. Les bois-plastiques par exemple, issus de l'association des coproduits du bois avec des polymères : en menuiserie extérieure (terrasses, caillebotis, plages de piscines…), ils pourraient remplacer en partie le PVC issu de l'industrie pétrochimique, offrant ainsi une alternative à la raréfaction des ressources fossiles. Autre atout environnemental, ils évitent les traitements chimiques - et lessivables - requis pour le bois massif.
L'amélioration des caractéristiques environnementales des bois composites a été particulièrement étudiée par l'unité Sciences du bois et des biopolymères dans le cadre d'un programme de recherche 2005-2009 financé par l'Agence nationale de la recherche "EcoComposite" coordonné par Patrick Castéra, directeur du laboratoire. Le challenge de ce programme était d'optimiser le profil environnemental des matériaux composites bois/polymères utilisés pour des applications comme les platelages extérieurs (planchers) tout en maintenant leurs performances techniques. Il a aussi permis de valoriser les co-produits de l'industrie (sciures, écorces, copeaux…) d'essences à courte durée de vie comme le pin et le sapin.
Concilier performances techniques et exigences écologiques
Résultat de ce programme, les chercheurs ont développé une méthodologie d'éco-conception de bois-plastiques prenant en compte des critères de performances techniques couplés à des indicateurs d'impact environnemental. Ils ont déposé un logiciel multiplateforme fondé sur cette méthodologie, Ted© (Windows, Linux, Mac OS) "Ted - Tool for Ecodesign", à l'Agence de protection des programmes.
L'interface utilisateur développée permet de saisir les fonctions objectifs - propriétés mécaniques et impact environnemental - ainsi que les contraintes propres à la problématique de conception et de visualiser graphiquement toutes les solutions proposées (voir encadré).
Les critères définis pour les performances mécaniques sont le fluage (déformation différée) et gonflement à l'eau tandis que l'indicateur d'impact environnemental est la consommation d'énergies non renouvelables. Ted© traite tous les types de composites bois/polymères et propose des solutions de matériaux composites avec le meilleur compromis entre performances techniques et environnementales.
Prendre en compte l'impact sur l'environnement dès la conception préliminaire du matériau
L'impact environnemental des produits est devenu une préoccupation croissante des industriels et une des voies pour le réduire passe par l'éco-conception. Elle permet de connaître précisément chaque étape de la vie des produits, depuis la production de matières premières nécessaires à leur fabrication jusqu'à leur destination finale.
Pour intégrer l'analyse du cycle de vie dans la conception préliminaire du matériau et obtenir des formulations optimales à partir des matières premières utilisées (polymères thermoplastiques, biopolymères et fibres végétales : bois ou fibres annuelles), les chercheurs ont dû tenir compte du caractère contradictoire des objectifs visés :
- l'accroissement de la masse de bois dans le matériau en améliore la rigidité, mais elle en accroît aussi fortement sa fragilité ;
- le thermoplastique (PEHD) améliore la résistance à l'eau et la stabilité dimensionnelle. Mais il contribue pour 88% à la consommation d'énergies non renouvelables et augmente la déformation différée du composite.
Pour sortir de ce dilemme, les chercheurs ont envisagé les deux pistes suivantes : d'une part la modification chimique des fibres végétales et d'autre part l'utilisation de thermoplastique recyclé et/ou l'incorporation d'amidon de maïs (PLA) en mélange avec le thermoplastique. Ces formulations ont permis de réduire sensiblement l'impact environnemental du produit. En effet, la modification des fibres par acétylation permet de les rendre hydrophobes. Cette méthode permet donc de réduire la quantité de thermoplastique sans altérer la résistance à l'eau du composite.
Différentes teneurs en amidon ou le remplacement total du thermoplastique vierge par du thermoplastique recyclé, déterminés par le logiciel Ted©, ont été testés par un partenaire industriel du projet Ecocomposite spécialisé dans la fabrication de bois composite. Les tests de qualification montrent que les performances techniques (durabilité) sont légèrement altérées mais que le profil environnemental est nettement meilleur. À ce stade, l'application industrielle de cet outil reste une potentialité.
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Le logiciel Ted est basé sur une méthode générique d'éco-conception fondée sur un algorithme d'optimisation multi-objectifs par essaim particulaire (MO-PSO). La stratégie d'optimisation choisie - l'optimum de Pareto – vise à améliorer l'objectif environnemental en altérant le moins possible les autres objectifs techniques. Ainsi, l'analyse du front de Pareto et le choix de formulations de compromis intéressantes étant influencés par des contraintes technico-économiques pour une application industrielle, toutes les solutions optimales sont proposées.
Représentations graphiques du front de Pareto
Si la consommation d'énergies non renouvelables (efr) est le principal critère de choix, les compromis favorables se situent dans les minima de efr (Figure 1) qui correspondent à la zone bleue de la Figure 2, dans la partie centrale du front.
- efr : exhaustion of fossil ressources (épuisement des ressources fossiles)
- sw : swelling (gonflement)
- def : creep deformation (fluage)
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Références :
- Michaud, F., P. Castéra, C. Fernandez and A. Ndiaye (2009). "Meta-heuristic methods applied to the design of wood-plastic composites, with some attention to environmental aspects." Journal of composite material, 43(5): 533-548.
- Ndiaye, A., P. Castéra, C. Fernandez and F. Michaud (2009). "Multi-objective preliminary ecodesign." International Journal on Interactive Design and Manufacturing 3(4): 237-245.
- Castéra, P., A. Ndiaye, C. Fernandez and F. Michaud (2008). "L'optimisation par essaim particulaire appliquée à la conception de composites à renforts lignocellulosiques." Revue des composites et matériaux avancés, 18(2): 185-190.
- Ndiaye, A., F. Michaud, P. Castéra and C. Fernandez (2007). Metaheuristic methods applied to the environmentally concious optimization of wood-plastic composite. Twenty-second Technical Conference, Seattle, WA, September 17-19, 2007. CD-ROM(Issue): 11 pp., American Society for Composites.
- Ndiaye, A., C. Fernandez and P. Castéra (2009). Ted: Tool for Eco-Design. Copyright 001.250046.000. Place Published, Agence pour la Protection des Programmes.
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