Des mousses à base de fibres pourraient remplacer les polymères polluants dans les domaines du sport, de la sécurité et de la construction
Les mousses plastiques sont omni-présentes, dans les casques de vélo, les emballages, les panneaux de construction et les habitacles de voiture. Mais la plupart d’entre elles sont fabriquées à partir de polymères d’origine fossile qui ne se décomposent pas, génèrent une pollution microplastique et ne peuvent être recyclés. Le projet BreadCell(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par l’UE, a développé un processus de moussage basé sur les fibres de cellulose issues de la production de pâte à papier. Il a transformé ces matériaux renouvelables en mousses composites légères et biodégradables dont les performances égalent celles des alternatives à base de plastique et qui sont déjà testées dans les équipements de sport et de sécurité.
De suspensions de fibres liquides aux équipements de sécurité fonctionnels
BreadCell a déveoppé une nouvelle méthode pour transformer des suspensions humides de fibres riches en cellulose et en xylane en mousses poreuses et structurées. Celles-ci ont ensuite été transformées en démonstrateurs, dont un skateboard, un casque et un bodyboard, afin de démontrer leur potentiel dans des applications réelles. Les tests effectués sur les casques ont mis en évidence une propriété remarquable, à savoir la capacité de la mousse à réduire l’accélération de la rotation lors des chocs à la tête, un facteur de risque important des lésions cérébrales. Les mousses de fibres de BreadCell ont démontré leur capacité à absorber et disperser ce moment angulaire. Au niveau de l’ingénierie, l’un des principaux défis consistait à comprendre le comportement des mousses lorsqu’elles sèchent et durcissent. «Les plus grandes surprises techniques ont été de découvrir à quel point le sujet est encore inexploré d’un point de vue analytique concernant l’évolution de la porosité lors de la transformation des mousses humides en mousses sèches», explique Tiina Nypelö, coordinatrice de BreadCell.
Régler la structure des pores pour la solidité et la stabilité
Pour mieux comprendre le comportement mécanique, l’équipe a fait appel à l’imagerie Micro-CT pour étudier l’évolution du réseau de pores internes de la mousse. Ces scans 3D ont révélé de forts gradients de densité qui affectent directement la résistance à la compression, en particulier dans les applications de sécurité critiques telles que les casques ou les habitacles de voitures. Les essais ont révélé que les variations de densité au sein de la mousse réduisent la rigidité apparente. Une technique de méta-modélisation a été développée pour combler cette lacune en combinant les données Micro-CT et les résultats de contrainte-déformation. Comme l’explique Florian Feist, partenaire du projet, «les méthodes d’essai actuelles sous-estiment de plus de 50 % le véritable potentiel mécanique de la mousse». Dans les applications de construction, les panneaux sandwich semi-hybrides qui combinent des noyaux en mousse avec des supports en papier kraft ont montré une amélioration considérable de la résistance à la compression, à la flexion et au cisaillement par chevauchement. Les essais mécaniques ont confirmé que ces structures stratifiées étaient plus performantes que les mousses autonomes, et affichaient une rigidité et une durabilité accrues.
Concevoir pour la sécurité, l’évolutivité et la durabilité
Les matériaux de BreadCell sont non seulement efficaces, mais également sûrs et évolutifs. L’équipe a validé la non-toxicité de tous les ingrédients et a démontré que les mousses sont biodégradables et recyclables, comme le papier, selon les protocoles de CEPI(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Le projet a concentré ses efforts sur des matières premières qui sont déjà largement disponibles. «Nos principaux composants en mousse sont disponibles industriellement à grande échelle, ce qui constitue un énorme avantage», explique Tiina Nypelö. Les fibres de cellulose ne sont pas des sous-produits, mais le principal produit des usines de pâte à papier, dont la production s’élève à plus de 160 millions de tonnes par an. Le xylane est également présent dans la plupart des pâtes chimiques, en particulier celles utilisées pour la fabrication du papier. Cette large disponibilité, associée à des principes de sécurité et de respect de l’environnement, fait de BreadCell une alternative évolutive aux mousses synthétiques, avec des applications dans les domaines de l’emballage, de la mobilité, du sport et de l’environnement bâti.
