L'avenir des fibres

Le développement passé des fibres peut suggérer l'avenir des fibres.

Par Jeff Dugan

Pour citer vaguement Marc Aurèle, "En regardant le passé, on peut prévoir l'avenir." Cette même idée s'applique à la recherche et au développement des fibres. Pour avoir un aperçu de la direction que pourraient prendre les développements de la fibre à l'avenir, le meilleur indicateur est le passé. Il n'y a pas de boule de cristal et aucun moyen de vraiment prédire l'avenir, seulement un "devinette-o-mètre". Mais le passé suggère une direction future possible. Certains développements sont plus à court terme et moins un acte de foi, tandis que d'autres développements sont des projets à plus long terme qui peuvent ou non se concrétiser.

La distance entre une idée géniale et sa commercialisation est très longue et malheureusement, il y a beaucoup de chances que les choses tournent mal. Parfois, les meilleures idées ne se concrétisent pas.

Si nous comparons l'industrie de la fibre d'aujourd'hui à celle d'il y a 20 ou 30 ans, peu de choses ont changé. Aujourd'hui, le polyester est toujours roi et les mélanges poly/coton sont toujours tissés et tricotés dans des tissus. Il y a 20 à 30 ans, peut-être que les gens pensaient que tout le monde porterait des non-tissés dans quelques décennies et que cela ne s'est pas encore produit, bien que ce soit toujours le cas. De toute évidence, la recherche et le développement sont en cours et les choses qui sont en cours de développement aujourd'hui changeront le visage de l'industrie au cours des prochaines décennies. Mais il est important de se rappeler que le changement est lent et que dans probablement les 20 à 30 prochaines années, les choses qui sont importantes aujourd'hui le seront encore dans l'industrie de la fibre.

De plus, les grands développements qui ont eu lieu ont été pour la plupart marginaux. Si l'histoire est une ligne droite - et bien sûr elle ne l'est jamais - mais si l'avenir est comme le passé, alors les marges sont là où la plupart des nouveaux développements resteront.

Si tel est le cas, pourquoi se concentrer sur ces innovations ? La réponse est que c'est là que se trouve l'argent. Même si une entreprise travaille sur un développement qui va rester dans les marges, c'est là que les producteurs peuvent gagner de l'argent au lieu de se faire concurrence uniquement sur le prix et le volume. C'est l'une des raisons pour lesquelles les entreprises recherchent les innovations et les nouveaux développements.

Il y a aussi toujours le rêve que non seulement la recherche peut créer quelque chose de rentable, mais qu'elle aboutira peut-être à un « nouveau polyester » qui changera fondamentalement l'industrie. Le polyester est roi depuis des décennies, mais il n'existait pas il y a 100 ans, et le changement finira par se produire.

Les fibres bicomposants ne sont pas nouvelles, mais l'une des utilisations encore inexploitées est dans les applications de fibres liantes. Il existe une nouvelle technologie en ligne qui permettra d'améliorer les performances des fibres liantes. Les gens connaissent assez bien les fibres de liant standard. Avec les nouveaux développements de polymères, de nouvelles températures de fusion sont disponibles pour adapter la fibre à l'application. La possibilité de choisir entre un liant amorphe ou cristallin peut également mieux adapter un produit pour faire le travail qui est nécessaire.

De plus, une possibilité plus récente est un liant qui liera initialement le tissu, puis à tout moment nécessaire à l'application, les liaisons peuvent être libérées. Ce sont des possibilités potentiellement à court terme dans les innovations en matière de fibres liantes.

Les technologies Taggant sont une autre technologie bicomposant actuellement disponible qui est sous-utilisée et il y a beaucoup de valeur dans ce type de technologies de fibre. Un identifiant comme un code-barres 2D peut être créé, ou des matériaux peuvent être utilisés pour éclairer la fibre lorsqu'elle est vue à l'aide de différentes longueurs d'onde de lumière.

Un code-barres 2D fournit de nombreuses informations lorsqu'une approche médico-légale est nécessaire pour déterminer la section transversale et extraire les informations du code-barres. En comparaison, une étiquette révélée à l'aide d'une certaine longueur d'onde de lumière est plutôt une technologie binaire simpliste qui n'identifie la fibre que si elle est présente. Il n'y a pas beaucoup d'informations dans ce type d'étiquette, mais cela peut être utile dans certaines applications telles qu'un scan de point de vente.

Il est possible qu'à l'avenir, une sorte de technologie de marquage soit nécessaire pour avoir une responsabilité en aval. De telles applications offrent un moyen d'étendre la technologie des bicomposants au-delà de ce qu'elle est aujourd'hui.

L'utilisation d'un additif d'ADN est une approche plus récente de ces technologies de marquage. L'ADN peut maintenant être inséré dans une fibre qui contient beaucoup d'informations similaires au code-barres 2D. L'un des avantages de l'utilisation de l'ADN est que l'extraction des informations est plus simple et que les méthodes médico-légales ne sont pas nécessaires. Cette technologie n'est pas moins chère, mais constitue un moyen plus simple d'intégrer de nombreuses informations dans une fibre.

Au-delà des marqueurs, les fibres divisibles offrent également des possibilités d'expansion pour les fibres bicomposants sur le marché. Lors de la production de filés, les microfibres posent problème dans la carde. Cependant, avec le contrôle de la section transversale d'une fibre à deux composants, la capacité de séparation de la fibre peut également être contrôlée, ce qui offre un moyen d'incorporer des microfibres dans des fils filés. La propriété séparable est importante car les processus de cardage sont tous différents, et la conception et l'application peuvent nécessiter un mélange différent de microfibres séparables et de non-microfibres. Avec toutes les différentes sections transversales qui peuvent être produites en combinaison avec les nombreux types de polymères disponibles, il est possible de fabriquer une très large gamme de fibres séparables.

Les fibres bicomposants cardables et séparables comprennent (voir la figure 1) :

Avec une gamme de possibilités de fractionnement, il est possible d'adapter une fibre à un processus et de carder un mélange où les fibres bicomposantes se fractionnent pendant le cardage. La mise en garde est qu'il doit y avoir des fibres non séparables et non microfibres dans le mélange de fibres pour transporter toutes les fibres tout au long du processus. Mais cette technique permet de mélanger les microfibres dans les filés. Cette expansion des applications de fibres bicomposantes peut nécessiter des travaux supplémentaires en aval, mais il s'agit d'un fruit assez simple qui est disponible et mûr pour le développement à court terme.

Un autre développement à court terme sur l'avenir de la fibre "devinez-o-mètre" est les fibres écologiquement avantageuses. Le terme fibre "verte" peut signifier beaucoup de choses différentes, et il y a bien plus dans les fibres "vertes" que la simple durabilité ou l'atténuation du dioxyde de carbone, y compris les problèmes de microplastiques, la toxicité et les problèmes de décharge. Différentes technologies de fibre répondent à différentes préoccupations environnementales et le terme favorable à l'environnement est un terme approprié à utiliser pour couvrir de nombreux scénarios.

L'une des premières choses qui est déjà en cours est un rôle croissant pour les fibres naturelles. Il est clair du point de vue du consommateur que ces fibres sont plus vertes qu'un plastique. Cependant, malgré la demande, les fibres naturelles ne représentent pas 100 % de ce qui est utilisé dans les textiles car elles n'offrent pas les propriétés que le polyester en particulier offre.

Pour que l'utilisation de fibres naturelles se dilate beaucoup plus qu'elle ne l'a déjà fait, il faudra peut-être effectuer des travaux pour modifier chimiquement les fibres afin d'élargir leur enveloppe de propriétés. De plus, à un moment donné dans le futur, il y aura un débat sur l'opportunité d'utiliser notre terre pour produire quelque chose qui n'est pas de la nourriture. Les producteurs de fibres d'acide polylactique (PLA) ont déjà vu un certain recul sur le polymère car ils utilisent du maïs et consomment donc une partie de l'approvisionnement alimentaire. Ainsi, l'expansion des fibres naturelles peut dépendre de la question "fibres ou nourriture?" En fin de compte, la bataille - si c'est même une bataille - entre les fibres naturelles et synthétiques va être potentiellement limitée par l'évolution des plastiques. Il y a beaucoup de travail en cours dans l'industrie des plastiques pour résoudre certains des problèmes environnementaux que présentent les plastiques, et les solutions deviennent incontournables. Peu de solutions sont encore rentables, mais au moins sur le plan technologique, il existe de nombreuses réponses aux problèmes environnementaux. La vitesse de développement et le coût final des nouvelles solutions peuvent très bien limiter l'impulsion à se concentrer davantage sur les fibres naturelles.

Une technologie plus récente développée dans l'industrie des plastiques qui offre un excellent rapport qualité-prix est celle des additifs améliorant la dégradation (DEA). CiCLO® est l'une de ces technologies proposées par Intrinsic Advanced Materials, une coentreprise entre Intrinsic Textiles Group et Parkdale Advanced Materials. Il existe d'autres technologies sur le marché, et elles fonctionnent essentiellement de la même manière. Lorsque des DEA sont ajoutés à à peu près n'importe quel plastique, le matériau se dégrade dans un environnement riche en microbes en deux à trois ans et non en 200 ou 300 ans.

L'un des attraits de ces technologies est leur coût relativement faible par rapport aux biopolymères, souvent recherchés pour résoudre les problèmes environnementaux. Les biopolymères offrent de nombreux avantages techniques, mais aucun n'est bon marché. Les DEA sont relativement peu coûteux et peuvent être intégrés immédiatement dans un produit. Un autre grand avantage est que les biopolymères nécessitent un sacrifice important des propriétés dans l'application ou le traitement, ou les deux. Les DEA permettent un avantage environnemental à faible coût, rapidement sans sacrifier les propriétés. De plus, certains biopolymères nécessitent un compostage pour se dégrader, et les DEA permettent à une fibre de se dégrader dans n'importe quel environnement riche en microbes sans nécessiter de compostage.

Un inconvénient est que la dégradation peut ne pas se produire aussi rapidement que dans certains des autres polymères tels que le PLA. Mais il existe une proposition convaincante pour l'utilisation des DEA lorsque l'on compare un produit qui se dégrade rapidement mais qui coûte cher et coûte cher en termes de propriétés par rapport à une fibre avec des DEA qui ne se dégrade pas tout de suite, mais se dégrade en quelques années contre des siècles et la technologie existe aujourd'hui. Les DEA deviendront probablement une technologie importante dans un laps de temps assez court.

Le furanoate de polyéthylène (PEF) est un nouveau biopolymère développé principalement par Avantium aux Pays-Bas, entre autres sociétés. Le PEF est une exception dans le monde des biopolymères car choisir des ingrédients biosourcés ne signifie pas sacrifier les propriétés des fibres comme c'est le cas avec d'autres biopolymères.

Le polyéthylène téréphtalate (PET) entièrement biosourcé n'est pas encore une réalité car l'éthylène biosourcé est une matière première disponible, mais la partie téréphtalate est vraiment délicate. Dans le PEF, le monomère furanoate - l'acide 2,5-furandicaboxylique - se combine avec l'éthylène glycol biosourcé pour former un polymère très similaire au PET, mais le monomère furanoate est également biosourcé, de sorte que le polymère PEF résultant est 100 % biosourcé. La fibre a une certaine dégradabilité naturelle, mais n'est pas spontanément biodégradable, ce qui est utile car de nombreuses applications nécessitent une durabilité. Le PEF se situe entre les deux extrêmes - il ne se dégrade pas tout de suite, mais il peut être amené à se dégrader si nécessaire. Les propriétés de la fibre sont comparables à celles du polyester, mais la fibre est biodégradable à moyen terme et peut être recyclée dans les flux de recyclage typiques du PET, ce qui constitue un avantage significatif. Un autre avantage est que le PEF peut être produit dans une usine de PET existante. Les cinétiques de réaction sont différentes, mais fondamentalement, les fabricants n'ont qu'à échanger le monomère téréphtalate contre le monomère furanoate. De plus, le PEF en particulier serait un bon polymère à utiliser en combinaison avec les DEA.

Un inconvénient du PEF est son coût. Cela est dû en partie au fait qu'il est au début de la phase de développement, donc le prix va baisser. Avantium a partagé des projections pour le coût, et il prévoit qu'avec l'échelle, le prix sera comparable au PLA, peut-être un peu plus élevé. Mais c'est une prime importante, qui a franchement entravé l'adoption du PLA sur les marchés de masse.

Sur le plan des prix, il existe d'autres raisons de croire que le coût atteindra un niveau acceptable. Certaines recherches sont en cours pour développer un procédé de polymérisation qui pourrait réduire le coût de fabrication du PEF à environ 20% de ce qu'il est actuellement. De plus, la barrière à l'oxygène du PEF est fantastique. Cette propriété ne signifie rien dans les fibres, mais est très importante sur le marché des bouteilles en plastique. Coca-Cola, entre autres entreprises, investit beaucoup d'argent pour développer des bouteilles en bioplastique, ce qui stimulera le développement du PEF.

L'autre option est de fabriquer un PET 100 % biodégradable, ce qui peut être fait, mais c'est cher et malgré de gros investissements, cette noix n'a pas encore été fissurée. Et avec les différences de propriété à l'esprit, le PEF a une chance d'être le gagnant sur le polyester biodégradable. Si c'est le cas, les volumes seront énormes et les coûts seront réduits. Le PEF est une fibre à surveiller. La recherche n'en est pas encore là, mais la première usine pilote est en préparation.

Les polyhydroxyalcanoates (PHA) sont une autre classe de biopolymères qui mérite d'être surveillée. Ils ne sont pas encore tout à fait prêts pour les heures de grande écoute en tant que fibre textile, mais la technologie se rapproche de la commercialisation. Les PHA présentent de nombreux avantages par rapport à certains autres matériaux. Ils sont 100% biosourcés et spontanément biodégradables. Comme mentionné précédemment, c'est un avantage que le PEF ait une certaine durabilité - c'est quelque chose qui sera souhaité dans de nombreuses applications. Mais il existe d'autres applications où la dégradabilité spontanée est importante. Partout où il y a des microbes, les PHA se dégradent. Cela ne signifie pas qu'il se dégradera suspendu dans le placard. Mais laissé au sol, la dégradation est rapide ; et le polymère est également dégradable en milieu marin, ce qui en fait une solution prometteuse aux problèmes des plastiques marins et des microplastiques. Les PHA sont susceptibles d'être disponibles à un coût relativement faible à grande échelle - peut-être même moins cher que le polypropylène, ce qui constitue un énorme avantage par rapport aux autres biopolymères. Les PHA peuvent également être fabriqués à partir de n'importe quel biomatériau ou dioxyde de carbone, de sorte que les sucres du maïs ou d'autres sources alimentaires ne sont pas affectés. Les usines peuvent même utiliser le dioxyde de carbone capturé par un épurateur sur une cheminée comme matière première pour un PHA - à quel point est-ce écologique ? Les PHA n'en sont pas encore là en termes de processabilité, mais il s'agit d'une base chimique qui a une grande adaptabilité. Il existe de nombreuses façons d'adapter les propriétés du polymère, ce qui, ajouté aux avantages environnementaux convaincants, permettra, espérons-le, de faire avancer le développement vers une solution.

Le recyclage chimique est également potentiellement un gros problème dans la catégorie des fibres avantageuses pour l'environnement. Il y a des années, BASF s'est penché sur la dépolymérisation du nylon. À l'époque, ce n'était pas une question environnementale, c'était plutôt une recherche axée sur les coûts, mais l'entreprise a déterminé que c'était un coût prohibitif. Il est intéressant de voir une activité renouvelée dans ce domaine aujourd'hui. Des usines de recyclage de polyester et de polypropylène sont actuellement construites dans de nombreux endroits dans le monde, et il est difficile d'imaginer que ce type de capital serait investi à moins que cela ne devienne une entreprise rentable.

Le recyclage chimique élimine également le recyclage, de sorte qu'il est concevable qu'un polyester puisse être recyclé éternellement.

Il y a un débat sur le recyclage par rapport à l'utilisation de biopolymères parce que le recyclage semble si simple - c'est juste un processus mécanique - et les biopolymères semblent plus exotiques et avantageux. Mais en termes d'avantage environnemental, le recyclage, dans le bon contexte, peut être plus puissant qu'un polymère qui se dégrade facilement. À l'avenir, l'accent sera beaucoup plus mis sur les efforts de recyclage des produits chimiques.

Il y a des choses qui peuvent être faites avec des fibres et des textiles qui n'ont pas encore été suffisamment développés, y compris des applications électriques. Les vêtements électriquement fonctionnels - ajoutant des fils aux textiles - sont en développement depuis un certain temps, mais ils n'ont pas encore pris d'assaut l'industrie. Mais l'innovation est en cours et il est probable que les défis seront résolus.

Plus encore, les substrats activés électriquement sont très prometteurs et pourraient être très utiles. Pensez à un stimulus électrique activant le mouvement dans un substrat, par exemple. Ou d'autres types d'activation incluent les textiles photovoltaïques qui peuvent être utiles dans les vêtements, les stores ou les substrats de toiture. Ces technologies pourraient également être utilisées pour créer des écrans d'affichage pliables ou enroulables qui élimineraient le besoin d'un projecteur séparé. Ce type de technologie n'est pas quelque chose qui pourrait être produit demain - il faudrait beaucoup de travail et d'investigation pour savoir comment cela fonctionnerait exactement - mais les matériaux disponibles sont appropriés pour le travail, et il y a suffisamment de valeur pour que la recherche en vaille la peine.

Les textiles peuvent aussi être conducteurs. Il existe un polymère naturellement conducteur, une polyaniline, qui a une conductivité limitée. Mais le fait qu'il existe suggère qu'il pourrait y avoir des travaux de développement pour créer une fibre plus conductrice qui est plus précieuse que la polyaniline actuellement disponible.

Des fibres conductrices peuvent également être créées en utilisant des additifs conducteurs tels que des nanotubes de carbone, ou en utilisant des technologies de dépôt en phase vapeur.

Les nanotubes de carbone peuvent être utilisés pour produire un fil plus conducteur, mais ce qui est le plus intéressant, c'est que les nanotubes de carbone à paroi unique ne sont pas seulement conducteurs, ce sont des supraconducteurs. Si ces nanotubes de carbone microscopiques pouvaient être intégrés dans une matrice de polyester, par exemple, et qu'il était possible de fabriquer quelque chose avec une longueur pratique, ces nouveaux matériaux pourraient offrir beaucoup de valeur en tant que supraconducteurs.

Il est possible de déposer du métal sur des polymères - par exemple, un dépôt d'argent sur du nylon - mais ces fibres deviennent très chères en raison de la quantité d'argent impliquée. Cependant, l'argent ne peut pas être déposé sur du polyester en utilisant le même procédé utilisé pour déposer de l'argent sur du nylon. Alors, imaginez une fibre bicomposant avec juste un ruban de nylon qui traverse. L'argent pourrait être déposé uniquement sur le nylon pour créer une fibre qui offre 100 % de la conductivité pour une fraction du coût.

De plus, pour les applications électriques, le fluorure de polyvinylidène est extrudable à l'état fondu de sorte qu'il peut être transformé en fibres. Et lorsqu'elle est étirée et étirée pendant la production dans un champ électrique correctement orienté, le résultat est une fibre piézoélectrique. Il doit y avoir de la valeur dans une fibre piézoélectrique pour une utilisation dans des capteurs, des actionneurs ou des muscles synthétiques pour ne citer que quelques exemples. Il s'agit d'une opportunité inexploitée et précieuse dans le domaine de la fibre qui attend que quelqu'un trouve une solution.

Se déplaçant dans un autre territoire en ce qui concerne les futures fibres fantastiques, ce sont les fibres de protéines filées au solvant. L'horizon dans cette catégorie est presque illimité. L'objectif est d'utiliser des protéines et de les filer au solvant - idéalement en utilisant de l'eau comme solvant pour garantir un processus respectueux de l'environnement - pour créer quelque chose de similaire à une soie d'araignée synthétique qui possède toutes les propriétés que vous pourriez souhaiter dans une fibre - légère, solide et extensible.

Il y a beaucoup de recherches dans ce domaine et les choses se rapprochent chaque jour de la commercialisation. Une fois qu'une solution est trouvée pour produire une fibre protéique commercialement utilisable, la soie d'araignée n'est qu'un début car il existe un tout nouveau paysage de produits chimiques avec lesquels travailler qui offre une énorme gamme de nouvelles propriétés. Pas seulement des propriétés améliorées, mais des propriétés différentes. Le terrain est mûr pour la cueillette si la technologie fondamentale peut être maîtrisée. Un moment Wallace Carothers dans les fibres protéiques est nécessaire, et une fois que cela se produira, un tout nouveau monde s'ouvrira qui pourrait complètement changer le paysage des fibres d'une manière jamais vue au cours des 20 à 30 dernières années.

Les fibres 3D sont presque au maximum du futur "devinette-o-mètre". L'innovation a d'abord maîtrisé une dimension - la longueur d'une fibre - et c'était la seule variable. Puis les recherches ont permis de contrôler la variation dans la deuxième dimension pour produire des fibres bicomposantes et des sections transversales non circulaires. Mais examiner la troisième dimension des fibres peut apporter beaucoup de valeur. Par exemple, il est peut-être possible de changer la façon dont une fibre est façonnée ou sa composition sur toute la longueur - il y a donc une section transversale ici et une section transversale différente plus loin ; ou vous avez un matériau ici, puis un autre matériau ou une combinaison différente de matériaux plus loin sur la longueur. Peut-être que dans 20 ou 30 ans, l'industrie sera plus près de produire de telles fibres.

Une application possible est en duvet d'oie synthétique. Le duvet d'oie, qui a de petites barbules sur toute la longueur (voir la figure 2), est l'un des produits de fibres les plus chers qui soient. Lorsqu'une ouate de duvet d'oie est comprimée, les barbules s'accrochent aux fibres perpendiculaires et les fibres se plient au lieu de pousser. Lorsque la pression est relâchée, le duvet se dilate et les propriétés isolantes sont conservées. Un duvet d'oie synthétique serait un produit précieux, mais la technologie doit d'abord exister pour changer la forme de la fibre sur toute la longueur.

Ceci n'est qu'un aperçu de l'avenir des fibres si le "devinette-o-mètre" est correct. Cela pourrait fonctionner de cette façon, ou non, mais le développement passé suggère une direction future.

Note de l'éditeur : Jeff Dugan est le co-fondateur de Fiber Innovation Technology et il a occupé le poste de vice-président de la recherche jusqu'à sa récente retraite. Il continue d'accompagner ponctuellement les porteurs de nouveaux projets fibre en tant que consultant. Au cours de ses 39 années de carrière, Dugan est l'auteur de nombreux articles et est nommé sur près de 50 brevets. Il a également présenté le premier et unique TED Talk sur le thème des fibres. Cet article est basé sur le contenu de la présentation de Dugan, "Future Fibers", donnée lors de la dernière conférence de la Synthetic Yarn and Fabric Association (SYFA).

Janvier/Février 2023