Économiser de l'énergie grâce à des récipients en verre plus résistants aux chocs
Des emballages en verre plus légers et à parois plus fines grâce à un nouveau revêtement
Le poids relativement élevé des récipients en verre et les besoins énergétiques qui y sont associés lors de la fabrication et du transport ont pu être considérablement réduits grâce à un effort conjoint de développement des matériaux et des technologies mené par EXXOSQEL GmbH et l’Institut Fraunhofer pour la recherche sur les silicates (ISC). Un nouveau traitement de surface augmente la résistance mécanique des récipients en verre, ouvrant ainsi la voie à des emballages en verre aux parois plus fines et plus légers. Une réduction de poids de 15 % a déjà été obtenue. Grâce à un formage à chaud adapté et stable, les partenaires de développement estiment que des réductions de poids pouvant atteindre 40 % seront techniquement réalisables à l’avenir.
Le verre offre de nombreux avantages en tant que matériau d’emballage. Les bouteilles et autres récipients en verre sont insipides et inodores, ne libèrent ni plastifiants ni solvants, peuvent être réutilisés plusieurs fois dans le cadre de systèmes de consigne, ou être réintroduits dans la production de verre en tant que matière première secondaire précieuse grâce au processus bien établi de recyclage du verre, ce qui permet d’économiser de l’énergie. Ils présentent donc d’excellentes propriétés pour le conditionnement de produits de haute qualité tels que les denrées alimentaires, les médicaments ou les cosmétiques, et peuvent s’avérer très durables.
L’un de leurs principaux inconvénients réside dans leur poids relativement élevé par rapport aux récipients en plastique ou aux emballages composites multicouches papier-métal-plastique, ainsi que dans la forte consommation d’énergie lors de leur production et de leur transport. C’est pourquoi de nombreux développements actuels visent à rendre le verre plus fin tout en augmentant sa résistance. « Compte tenu des exigences du règlement sur les emballages¹, comment pouvons-nous alléger le verre tout en conservant la même résistance, afin que les emballages en verre puissent rivaliser avec d’autres matériaux d’emballage ? » Thomas Sauer, d’EXXOSQEL, expose ainsi l’objectif de ce développement. Ce développement de matériau peut contribuer directement à réduire l’empreinte carbone des récipients en verre.
Comment augmenter la résistance à la rupture du verre ?
Presque tout le monde a déjà vécu cette situation : une bouteille en verre tombe par terre et se brise en mille morceaux. Mais le verre peut se briser même sous des contraintes relativement faibles. Cela est dû, par exemple, à des contraintes thermiques résultant de changements rapides de température ou à des défauts de surface et des microfissures pouvant apparaître lors de la production, du remplissage ou du transport. Une mauvaise manipulation au quotidien peut également en être la cause.
Les procédés de trempe thermique ou chimique couramment utilisés dans le secteur du verre plat, qui augmentent la résistance en induisant des contraintes de compression ciblées dans la couche de verre proche de la surface, ne sont pas largement utilisés dans l’industrie du verre d’emballage, en partie pour des raisons techniques et en partie en raison des efforts et des coûts que cela implique. Cependant, les revêtements appliqués immédiatement après le formage à chaud (revêtement « hot-end », HEC) et après le four de refroidissement (revêtement « cold-end », CEC) sont bien établis dans l’industrie du verre d’emballage. Aux États-Unis, American Glass Research indique que plus de 95 % du verre d’emballage est traité de cette manière. Le traitement « hot-end » vise, par exemple, à augmenter le rayon des microfissures et à favoriser l’adhérence du traitement « cold-end », tandis que le traitement « cold-end » améliore les propriétés de glissement des récipients en verre, réduisant ainsi l’usure lors du remplissage. Des revêtements à base de cires de polyéthylène sont utilisés pour le revêtement « cold-end ». Dans le cas des bouteilles consignées, le revêtement «cold-end» est en grande partie éliminé par lavage après seulement quelques cycles en raison du processus de lavage alcalin des bouteilles.
« Réparation des fissures » grâce à un nouveau revêtement
La combinaison d’un nouveau matériau de revêtement et d’une technologie de revêtement optimisée, développée par EXXOSQEL et l’Institut Fraunhofer pour la recherche sur les silicates (ISC), comble en grande partie — ou, pour ainsi dire, « répare » — les défauts de surface. « Plus précisément, lors de la synthèse de plusieurs composants, nous créons un composite réticulé en trois dimensions dont la matrice, une fois le revêtement appliqué, forme des liaisons covalentes au niveau moléculaire au sein des microfissures créées par le formage à chaud et le refroidissement », explique Thomas Sauer, PDG d’EXXOSQEL. Cela augmente considérablement l’énergie nécessaire pour provoquer une rupture. Des essais en laboratoire ont déjà démontré des améliorations significatives de la résistance du verre. Pour la quasi-totalité des types de récipients en verre testés à ce jour, la charge supportée jusqu’à la rupture a considérablement augmenté lors des essais de compression et de choc. Dans certains cas, les récipients n’ont pas pu être brisés, même sous la charge maximale de 10 joules ou 40 bars que l’équipement d’essai pouvait appliquer. L’entreprise estime que des substrats en verre plus fins pourraient réduire l’utilisation de matériaux, la consommation d’énergie et les émissions de CO₂ en permettant des réductions de poids pouvant atteindre 40 %, à condition que des procédés de formage à chaud stables puissent être garantis. De plus, le revêtement crée une surface sans joint. Il en résulte une plus grande brillance et un meilleur toucher pour chaque bouteille. Cela réduit également le frottement entre les bouteilles.
De l’échelle du laboratoire au prototype
La collaboration entre EXXOSQEL et le Fraunhofer ISC vise à commercialiser le produit. EXXOSQEL développe la formulation du matériau et le produit actuellement à l’échelle du laboratoire avec le soutien du Fraunhofer ISC. Ce dernier apporte également son expertise en matière de transposition à plus grande échelle de la synthèse des matériaux et des technologies de revêtement, en vue de la prochaine étape : passer de l’échelle du laboratoire à celle de l’usine pilote. Les deux partenaires de recherche travaillent en étroite collaboration sur la formulation du matériau et le développement technologique. Les chercheurs de Würzburg apportent également leur soutien à la mise à l’échelle du revêtement : « Nous voulons concevoir l’application du nouveau revêtement de manière à ce qu’il puisse être facilement intégré dans les processus de fabrication existants », explique le Dr Ferdinand Somorowsky, responsable de la technologie des revêtements au Fraunhofer ISC, en mettant l’accent sur l’aspect applicatif. Les partenaires travaillent désormais ensemble sur la prochaine étape de transposition à plus grande échelle, explique Thomas Sauer : « Nous maîtrisons désormais le dispositif expérimental en laboratoire. D’ici 2027, nous prévoyons de mettre en place une usine pilote où nous poursuivrons la transposition à plus grande échelle tant de la production de la solution de revêtement que de la technologie d’application. Notre objectif est de jeter les bases d’une validation pertinente pour l’industrie et de franchir une nouvelle étape vers la production industrielle de masse. Lors des prochaines étapes, nous impliquerons des partenaires issus des secteurs du verre d’emballage, des boissons et de l’agroalimentaire, ainsi que des secteurs de la construction mécanique et de l’ingénierie des installations. »
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