Série de matériaux en plastique PLA pour la conception de produits

Plus de 99% de plastiques utilisés dans le monde sont produits à partir de sources d'hydrocarbures non renouvelables comme le pétrole brut et le gaz naturel. Cette situation a exercé une pression sur les réserves mondiales d'hydrocarbures, d'où la nécessité de trouver une autre source de plastique à partir de sources renouvelables. Les plastiques d'acide polylactique (PLA) créés à partir de sources renouvelables comme la canne à sucre, l'amidon de maïs et le manioc sont devenus une alternative intéressante pour les fabricants.

Contrairement aux plastiques issus d'hydrocarbures, certains plastiques PLA sont conçus pour être décomposés dans certaines conditions, comme dans les installations de compostage industriel, afin de contribuer à réduire la pollution plastique dans l'environnement. Selon le Programme des Nations unies pour l'environnement, les déchets plastiques ont doublé chaque décennie depuis 2000, et cette tendance devrait tripler d'ici 2060. ^[1].

Seules 9% des 400 millions de tonnes de déchets plastiques générés chaque année dans le monde sont recyclées. ^[2]. Les 91% restantes finissent dans les décharges ou dans l'océan, ce qui explique en partie pourquoi de plus en plus de pays interdisent les plastiques à usage unique. Le plastique PLA passe des laboratoires aux chaînes de production. Il ne s'agit pas seulement d'un symbole environnemental, mais aussi d'un point d'appui technologique susceptible de débloquer un marché de plusieurs centaines de milliards de dollars.

Connaissance de base de l'APL

Le processus d'obtention de plastiques PLA à partir de plantes est similaire au processus d'obtention de plastiques à partir de sources d'hydrocarbures. La principale différence réside dans le matériau de base. Par exemple, dans la création de plastiques synthétiques à partir de pétrole brut, le brut est distillé dans une raffinerie pour obtenir une fraction appelée naphta, qui constitue le matériau de base pour la production de plastique.

Dans le cas du PLA, l'amidon des plantes est converti en sucre, suivi de la fermentation du sucre pour produire de l'acide lactique, qui constitue le matériau de base du plastique obtenu. Le PLA est fabriqué à partir de sources renouvelables en suivant les étapes clés suivantes :

• Extraction de l'amidon : Les fabricants de PLA extraient l'amidon de la canne à sucre, du maïs ou de tout autre substrat végétal par broyage humide (broyage et séparation de l'amidon des autres composants).
• Hydrolyse : Les grosses molécules de l'amidon (polysaccharide) sont converties en sucres simples (monosaccharides) comme le glucose par une réaction impliquant de l'eau et des enzymes.
• Fermentation : Le glucose résultant de l'hydrolyse est fermenté à l'aide de micro-organismes, en particulier des espèces de Lactobacillus, afin de transformer le sucre en acide lactique.
• Formation de lactide : L'acide lactique issu de la fermentation est transformé en lactide, qui est un dimère cyclique de l'acide lactique.
• Polymérisation : La liaison contrôlée des molécules de lactide par polymérisation forme des chaînes plus longues d'acide polylactique (PLA). Le résultat de la polymérisation est constitué de petits morceaux de plastique PLA brut qui peuvent être moulés en différents produits.

Tableau des principales caractéristiques du plastique PLA

Il possède plusieurs caractéristiques uniques qui le rendent plus intéressant pour l'industrie de l'emballage médical et alimentaire. La durabilité et la facilité de transformation des bioplastiques ont été saluées par l'ensemble de l'industrie manufacturière. Voici les principales caractéristiques qui font du PLA une alternative appropriée au polybutylène adipate-co-teréphtalate (PBAT) et au polybutylène succinate (PBS).

Les trois étapes de l'industrialisation

Depuis la découverte du PLA à haut poids moléculaire en 1932 par le chimiste Wallace Carothers de DuPont, la technologie a progressivement trouvé sa place dans les applications industrielles, en particulier au début du XXIe siècle. ^[3]. Certaines entreprises et industries ont été à l'avant-garde de l'industrialisation du plastique PLA. Si le cas d'utilisation a commencé par des applications simples comme l'emballage, il a évolué vers des utilisations plus techniques comme les implants médicaux et l'automobile. Voici une chronologie des trois étapes de l'industrialisation du PLA.

2002 : Première ligne de production de 70 000 tonnes pour NatureWorks

NatureWorks a entamé des recherches sur la manière d'exploiter les molécules de dioxyde de carbone stockées dans les plantes pour créer des produits en plastique plus respectueux de l'environnement. Ces recherches ont abouti à la création d'Ingeo, un biopolymère PLA qui a finalement été utilisé pour la création de produits d'emballage alimentaire. Il a également été utilisé pour la fabrication d'ustensiles de cuisine (cuillères, assiettes, fourchettes), de textiles, de revêtements d'emballage et pour l'impression 3D.

NatureWorks est basée aux États-Unis et a construit la première usine mondiale de production de PLA à l'échelle industrielle, qui a commencé à fonctionner en 2002 avec une capacité de production de 70 000 tonnes. L'entreprise a doublé sa capacité de production en 2015. En 2023, NatureWorks a annoncé qu'elle avait réalisé des progrès significatifs dans la construction d'une usine de fabrication de PLA dans la province de Nakhon Sawan, en Thaïlande. ^[4]. L'installation devrait avoir une capacité annuelle de 75 000 tonnes de biopolymère Ingeo.

Le succès de NatureWorks a inspiré à Hisun une ligne similaire de production de plastique PLA d'une capacité de 5 000 tonnes en Chine. L'entreprise a ajouté une ligne de 10 000 tonnes à l'usine en 2017. L'année suivante, Hengtian a construit plusieurs lignes de transformation de lactide en fibre PLA d'une capacité de 10 000 tonnes. COFCO a également installé une usine de plastique PLA de 10 000 tonnes en Chine la même année.

2016 : Vis à os en PLA de qualité médicale d'Arburg

Le plastique PLA a fini par trouver de nouvelles applications industrielles plus complexes, à la suite de percées dans le moulage par injection de précision et l'impression 3D. Grâce au procédé Plastic Freeforming (APF) d'Arburg, des vis à os en PLA de qualité médicale ont été créées à partir de granulés de PLA disponibles dans le commerce.

L'APF est une méthode de production additive qui permet d'utiliser directement des granulés de PLA sans passer par l'étape supplémentaire de la création de filaments, qui peut altérer les propriétés du matériau. ^[5]. Le processus de fabrication consiste à projeter des gouttelettes de plastique fondu, couche par couche, pour former une structure en 3D.

Les vis et implants osseux en PLA de qualité médicale d'Arburg étaient souhaitables parce qu'ils réduisaient la nécessité d'une opération de suivi pour retirer les matériaux. En effet, ils se dégradent avec le temps et sont absorbés par l'organisme, contrairement aux implants métalliques.

2024 : Pièces intérieures en PLA résistantes à la chaleur pour automobiles

D'ici à 2024, le PLA résistant à la chaleur a été massivement adopté pour l'industrie de l'automobile. la création de pièces intérieures pour automobiles, La production de masse de Mercedes-Benz en est le fer de lance. Bien que le plastique PLA standard ait une température de déviation thermique relativement basse (environ 55°C à 60°C [131-140°F]), il est modifié avec des additifs qui améliorent sa résistance à la chaleur et le rendent approprié pour les pièces intérieures, comme les accents décoratifs et les pièces de garniture.

La maturité technologique du plastique PLA a atteint le niveau 8 dans différents domaines. Au niveau 8 de maturité technologique (TRL 8), la technologie démontre une fonctionnalité, une fiabilité et une conformité totales avec les réglementations en vigueur. L'utilisation généralisée du PLA dans l'impression 3D et les pièces d'utilisation finale dans de nombreux secteurs valide son statut de TRL 8 - et il pourrait avoir atteint le TRL 9 dans certains domaines.

Comparaison du PLA avec le PBAT et le PBS

Le PLA, le polybutylène adipate-co-teréphtalate (PBAT) et le polybutylène succinate (PBS) sont tous des plastiques biodégradables. Par conséquent, leur adoption à grande échelle peut contribuer à la lutte contre la pollution plastique dans l'environnement. Bien qu'ils puissent tous être fabriqués à partir de sources durables, leurs propriétés diffèrent.

Le PBAT est un polyester thermoplastique composé d'unités répétitives d'acide téréphtalique, d'acide adipique et de 1,4-butanediol. Ses différentes combinaisons de composés lui confèrent des propriétés uniques. Il est synthétisé à partir de la combinaison de l'acide adipique, de l'acide téréphtalique et du butylène glycol, et est particulièrement connu pour sa flexibilité et son allongement élevé à la rupture. Il est principalement utilisé dans les emballages alimentaires.

Le PBS est synthétisé à partir d'acide succinique et de 1,4-butanediol. En plus d'être biodégradable, il est très résistant à la chaleur et compatible avec d'autres polymères biodégradables. Ses propriétés sont très proches de celles du polypropylène isotactique et du polyéthylène haute densité, ce qui en fait un excellent choix pour de vastes applications.

Comparaison des propriétés du PLA, du PBAT et du PBS

Le PLA, le PBAT et le PBS sont intrinsèquement hydrophobes en raison de la présence de groupes méthyles (CH3). En d'autres termes, ces plastiques renouvelables ont des propriétés d'absorption d'eau et de mèche modérées par rapport au polyéthylène tétraphtalate (PET). Cette propriété fait des plastiques renouvelables un meilleur choix pour les vêtements de sport que le PET.

Applications populaires du plastique PLA

Il y a deux ou trois décennies, la fabrication d'une livre de PLA coûtait environ $200, ce qui constituait un revers majeur sur la voie de l'industrialisation. Grâce à des technologies innovantes, il est aujourd'hui possible d'obtenir une livre pour moins de $2. Les contraintes de coût étant désormais derrière nous, la porte s'est ouverte à une adoption massive dans diverses industries. Aujourd'hui, les fabricants qui ont le plus adopté l'APL sont les suivants :

• Impression 3D de pièces en intérieur
• Implants médicaux
• La mode
• Emballage des aliments et des boissons

Utilisation du plastique PLA dans l'impression 3D

En matière d'impression 3D, le filament PLA est une option largement acceptée en raison de son faible point de fusion par rapport aux autres filaments, ce qui le rend facile à utiliser. Le point de fusion bas accélère le processus d'impression, réduisant le gauchissement et les besoins en énergie. En outre, au cours du processus d'impression, le filament PLA libère du lactide, qui est généralement considéré comme une fumée non toxique. Par conséquent, l'utilisation du filament PLA pour l'impression 3D est sans danger pour une utilisation en intérieur. Les autres avantages du PLA dans l'impression 3D sont les suivants

• Emet une odeur douce lors de l'impression, contrairement aux vapeurs nauséabondes émises par certains matériaux.
• Les pièces imprimées peuvent être soudées au solvant, ce qui facilite l'assemblage des pièces.
• Disponible dans une vaste gamme de couleurs.
• Il peut être mélangé à d'autres matériaux pour créer des propriétés différentes.
• L'impression avec le plastique PLA offre une bonne précision dimensionnelle qui correspond étroitement à la dimension voulue.

Avantages de l'utilisation du PLA pour les implants médicaux

Le PLA a bénéficié d'un meilleur accueil dans le domaine médical en raison de ses propriétés intrinsèques. Par exemple, il présente une bonne biocompatibilité en tant qu'implant, ce qui signifie qu'il ne provoque pas de réactions indésirables lorsqu'il est implanté dans le corps humain. La bio-incompatibilité peut entraîner des inflammations et d'autres réactions indésirables qui peuvent être mortelles. C'est pourquoi il est utilisé pour les implants chirurgicaux, les échafaudages d'ingénierie tissulaire et les systèmes d'administration de médicaments.

• Il réduit le risque d'infection et d'opérations de suivi car il se dégrade naturellement.
• La vitesse de dégradation peut être contrôlée en mélangeant le PLA avec d'autres matériaux.
• La résistance et la rigidité du plastique PLA peuvent être manipulées pour fabriquer différents types d'implants, comme une vis à os.

Le plastique PLA s'impose dans la mode

L'industrie de la mode génère chaque année environ 92 millions de tonnes de déchets textiles dans le monde. ^[6]. La majeure partie de ces déchets finit dans des décharges, tandis que le reste se retrouve dans des plans d'eau. L'utilisation du PLA contribue à réduire la charge textile dans l'environnement car il se dégrade avec le temps. L'utilisation du PLA dans l'industrie de la mode présente d'autres avantages :

• La respirabilité des tissus PLA permet la circulation de l'air, ce qui maintient le porteur au frais et à l'aise.
• Ils offrent une sensation de douceur et de confort sur le corps.
• La fibre PLA offre une résistance suffisante pour une utilisation quotidienne tout en étant biodégradable.
• Le tissu PLA peut conserver sa couleur et résister à la décoloration due au lavage ou au séchage au soleil.
• Leur propriété hypoallergénique les rend adaptés aux personnes ayant une peau sensible.

Technologies de transformation du PLA

Le plastique PLA est compatible avec la majorité des technologies de transformation du plastique disponibles, moyennant des modifications minimes. Par exemple, le PLA peut facilement prendre différentes formes grâce au moulage par injection. Les granulés de PLA peuvent également être fondus et forcés à travers une matrice pour former des films et des feuilles. Il peut également être transformé par moulage par soufflage pour créer des bouteilles et des conteneurs.

Le PLA pouvant absorber de l'eau, il est toujours important de le sécher avant de l'utiliser avec l'une des technologies de moulage. L'utilisation d'un filament PLA humide sur une imprimante 3D, par exemple, peut entraîner des problèmes de performance et des défauts d'impression. Pendant l'impression, l'eau absorbée par le filament se transforme en vapeur, ce qui provoque des bruits d'éclatement et une extrusion irrégulière ou une finition de surface bulleuse. Dans les cas extrêmes, le filament se dilate sous l'effet de la vapeur et obstrue la buse, entraînant un échec total de l'impression. Voici quelques-unes des méthodes de séchage du filament PLA :

• Séchage au four : Préchauffer le four entre 110°F et 120°F. Placer le filament dans le four pendant 4 à 6 heures. Maintenez toujours le four à une température bien inférieure à la température de fusion du PLA.
• Utilisation d'un séchoir à filament : Suivez les instructions fournies avec le sèche-linge
• Déshydrateur et Ziploc : Pour une humidité moins importante, placez le filament PLA dans un Ziploc avec des sachets déshydratants et laissez-le pendant plusieurs heures.
• Déshydrateur alimentaire : Le PLA étant un plastique de qualité alimentaire, vous pouvez le placer dans un déshydrateur alimentaire à température réglable et le faire sécher.

Paramètres de moulage par injection du plastique PLA et modification de l'équipement

La bonne nouvelle pour les fabricants qui souhaitent passer du plastique synthétique au plastique PLA pour leurs produits est qu'aucune modification majeure de l'outillage n'est nécessaire. Les modifications majeures consistent souvent à ajuster les paramètres de flux tels que la température, la pression, la vitesse d'injection, le refroidissement et la durée du cycle pour tenir compte de la sensibilité thermique du matériau.

Le cas échéant, le fabricant peut être amené à incorporer des additifs pour obtenir les propriétés souhaitées. Dans certains cas, il peut être nécessaire d'optimiser la conception du moule pour améliorer la qualité de la pièce fabriquée. Les transformations les plus courantes consistent à repenser la conception de la porte, à modifier l'épaisseur de la paroi et à ajouter des angles de dépouille. L'optimisation du système de refroidissement est essentielle pour éviter le gauchissement et le rétrécissement.

Technologies de modification du PLA

Pour certaines applications industrielles, il peut s'avérer nécessaire de modifier certaines propriétés du PLA. Il peut s'agir d'une modification physique, d'une modification chimique ou de l'utilisation d'additifs. Voici une liste des différentes techniques de modification du plastique PLA.

Modification chimique

Il existe différentes options, mais le choix dépend de la propriété que le fabricant souhaite conférer au produit. Les techniques les plus courantes sont les suivantes :

• Copolymérisation : Le mélange de PLA avec du polycaprolactone ou d'autres monomères pour améliorer les propriétés telles que le taux de dégradation, la flexibilité et la stabilité thermique.
• Extension de la chaîne : Augmentation du poids moléculaire par l'ajout de molécules telles que l'anhydride maléique ou des composés à fonction époxy. Cela permet d'améliorer la résistance à la fusion.
• Greffe : Le processus consistant à donner au PLA une hydrophobie ou d'autres propriétés souhaitables en attachant d'autres polymères ou molécules à sa colonne vertébrale.

Modification physique

Ce changement se produit souvent au niveau de la surface sans impliquer de modification chimique des molécules de PLA. Ils sont également utilisés pour conférer les propriétés souhaitées au matériau. Par exemple, il peut être combiné avec de la cellulose ou de l'amidon dans un processus appelé mélange pour améliorer sa flexibilité et sa biodégradabilité. Les autres modifications physiques sont les suivantes :

• Nucléation : Amélioration de la cristallisation par l'ajout d'agents nucléants.
• Recuit : Application d'un traitement thermique à la pièce en PLA après traitement pour améliorer la cristallinité.
• Traitement de surface : Revêtement de la surface avec un composé souhaitable pour améliorer la mouillabilité, la biocompatibilité ou l'adhérence.

Charges et additifs

L'un des inconvénients de l'utilisation du PLA est sa faible résistance aux chocs. Celle-ci peut être améliorée par l'ajout de caoutchouc ou d'autres polymères. De même, l'incorporation de fibres de verre, de biofibres, de nano-argiles et d'autres matériaux similaires peut améliorer la stabilité thermique et d'autres caractéristiques du plastique PLA.

Orientations en matière de percée technologique

Les technologies de pointe telles que l'IA ont joué un rôle important dans la production de plastique PLA. Grâce aux technologies d'IA, les fabricants peuvent optimiser les différentes étapes de la production et simuler avec précision l'impact des différents polymères sur les propriétés du PLA. L'IA permet donc d'accélérer le développement de nouveaux modèles de PLA, d'améliorer l'efficacité des formulations existantes et de rendre la production de PLA plus durable.

L'automatisation des systèmes de production à l'aide de l'IA permet désormais aux fabricants de surveiller et d'optimiser le processus de production du PLA en temps réel. Les systèmes peuvent ajuster automatiquement les paramètres de moulage tels que la température, la pression d'injection, la vitesse d'écoulement, etc. afin d'accroître l'efficacité et de minimiser les déchets et les défauts.

Marché du PLA

Le marché mondial des plastiques PLA a connu une croissance significative au cours des deux dernières décennies. Cette tendance à la hausse devrait se poursuivre à l'avenir, en partie sous l'effet des réglementations environnementales visant à réduire la pollution plastique. En 2023, plus de 130 pays dans le monde avaient interdit ou partiellement limité les plastiques à usage unique, y compris les sacs en plastique, les pailles, les récipients alimentaires, etc. ^[7].

Échelle et croissance

Mordor Intelligence estime que la taille du marché du plastique PLA en 2025 est de 2,59 millions de tonnes, et qu'il devrait atteindre 6,45 millions de tonnes d'ici 2030 à un taux de croissance annuel cumulé (CAGR) de plus de 20%. ^[8].

L'Organisation européenne de l'acide biopolylactique a déclaré que le PLA était le plastique biodégradable le plus produit, avec une capacité de 675,8 kilotonnes en 2023. Le marché mondial du PLA était évalué à au moins 1,5 milliard de tonnes en 2023, mais MarketsandMarkets s'attend à ce que ce chiffre atteigne 1,5 milliard de tonnes en 2028. ^[9]. L'Europe possède le plus grand marché du PLA, influencé par la demande croissante d'emballages durables et par des réglementations environnementales strictes.

Le moulage par injection de PLA a dépassé le stade de la recherche et du développement pour entrer dans une phase d'application à grande échelle, grâce à des innovations qui ont rendu le processus rentable. En novembre 2024, Futerro a mis en place la première bioraffinerie verticalement intégrée en Europe. Située en Normandie, elle produit et recycle du PLA. Dans de nombreux pays, les emballages en PLA ont remplacé les plastiques à usage unique interdits.

Défis et avenir

Parmi les différents polymères biodégradables disponibles, les plastiques PLA et PBAT sont les plus commercialisés en raison de leur grande disponibilité et de la faisabilité de leur traitement. Le principal obstacle à la commercialisation des plastiques biodégradables est le coût de production.

Selon la région où vous vous approvisionnez en PLA, le prix peut varier de $2,33 par kg (Asie du Nord-Est) à $2,86 par kg (Europe), d'après Business AnalystIQ. ^[10]. Bien que son prix ait considérablement baissé au fil des ans, il reste plus cher que le plastique polypropylène, que l'on peut acheter pour $1,03 par kg en Asie du Nord-Est ou $1,58 par kg en Europe.

Pour compenser le coût et augmenter les performances, les mélanges personnalisés de plastique PLA, comme le mélange de PLA et de TPS ou de PLA et de PBAT, seront probablement privilégiés à l'avenir. Il s'agit notamment de mélanger le PLA avec des fibres naturelles et d'autres polymères afin de produire des composites dotés de meilleures propriétés pour des applications spécifiques.

Plusieurs fabricants de plastique PLA ont une feuille de route 2025 - 2030 qui se concentre sur l'amélioration des propriétés du matériau, l'amélioration de l'efficacité de la production et l'expansion des applications. L'intégration de l'impression 3D au moulage par injection fait l'objet de recherches de plus en plus nombreuses ^[11].

On pense que la combinaison de ces deux méthodes en un seul système de production réduira les limites de leurs cas d'utilisation individuels. Par exemple, les moules imprimés en 3D peuvent réduire le coût initial élevé de l'outillage et les délais d'exécution prolongés auxquels est confronté le moulage par injection. Avec la possibilité d'utiliser la technologie de l'intelligence artificielle, une automatisation plus poussée peut être obtenue avec un hybride impression 3D-moulage par injection PLA.

Conseils : En savoir plus sur les autres plastiques

Références

[1] Programme des Nations unies pour l'environnement. (n.d.). Pollution plastique. Consulté le 4 août 2025, à l'adresse suivante https://www.unep.org/topics/chemicals-and-pollution-action/plastic-pollution

[2] Waste Direct. (2024). Statistiques et tendances sur les déchets plastiques. https://wastedirect.co.uk/blog/plastic-waste-statistics/

[3] Jackson, T. (2023). L'origine du PLA et son importance dans l'impression 3D. SUNLU. https://www.sunlu.com/blogs/products-knowledge/the-origin-of-pla-and-its-importance-in-3d-printing

[4] NatureWorks LLC. (2023, 18 octobre). NatureWorks annonce la prochaine phase de construction d'une nouvelle usine de biopolymères Ingeo™ PLA entièrement intégrée en Thaïlande. [Communiqué de presse]. https://www.natureworksllc.com/about-natureworks/news/press-releases/2023/2023-10-18-natureworks-announces-next-phase-of-construction-thailand

[5] Maintz, M., Tourbier, C., de Wild, M., Cattin, P. C., Beyer, M., Seiler, D., ... & Thieringer, F. M. (2024). Implants spécifiques au patient en polymères biorésorbables imprimés en 3D sur le lieu de soins : matériau, technologie et champ d'application chirurgical. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11031859/

[6] Programme des Nations unies pour l'environnement. (2023, 30 mars). La mode et les textiles non durables à l'honneur lors de la Journée internationale "zéro déchet [Communiqué de presse]. https://www.unep.org/news-and-stories/press-release/unsustainable-fashion-and-textiles-focus-international-day-zero

[7] SOLINATRA. (n.d.). Interdictions de plastique dans le monde. Consulté le 4 août 2025, à l'adresse suivante https://www.solinatra.com/news/plastic-bans-around-the-world

[8] Mordor Intelligence. (2023). *Analyse de la taille et de la part du marché de l'acide polylactique - Tendances de croissance et prévisions (2025-2030)*. https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/bio-polylactic-acid-pla-market

[9] MarketsandMarkets. (2023). *Marché de l'acide polylactique (PLA) - Prévisions mondiales jusqu'en 2028*. https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/polylactic-acid-pla-market-29418964.html

[10] Business AnalystIQ. (n.d.). Indice des prix de l'acide polylactique (PLA). Consulté le 4 août 2025, à l'adresse suivante https://businessanalytiq.com/procurementanalytics/index/polylactic-acid-pla-price-index/

[11] Chval, Z., Raz, K., & Silva, J. P. A. B. (2023). Intégrer l'impression 3D au moulage par injection pour améliorer l'efficacité de la fabrication. https://www.researchgate.net/publication/393700748_Integrating_3D_Printing_with_Injection_Molding_for_Improved_Manufacturing_Efficiency