Le salon K de Düsseldorf est le salon professionnel le plus important au monde non seulement pour l'industrie du plastique, mais aussi pour celle du caoutchouc. Mais dans ce domaine aussi, la durabilité et la préservation des ressources sont des sujets brûlants que personne ne peut ignorer. Raison de plus pour mettre en lumière, en amont du salon K 2025, l'importance du caoutchouc dans les domaines d'application « verts ».
de Dr. Stefan Albus
Notre société est confrontée à de tout nouveaux défis en raison du changement climatique. Le caoutchouc, inventé il y a plus de 180 ans, a-t-il encore un rôle à jouer dans ce contexte ?
Géothermie
C'est logique ! Souvent on a même besoin pour cela de matériaux issus de caoutchoucs synthétiques particulièrement sophistiqués. La production de chaleur à partir de couches géologiques profondes est un exemple de ce type d'application. En effet, les forages géothermiques peuvent atteindre des profondeurs de 1000 à 3000 mètres. Dans ce cas, on utilise entre autres des « packers », des manchons d'environ un mètre de long qui peuvent rendre étanche une section du trou de forage ; ceux-ci sont entre autres composés de caoutchouc résistant à la chaleur. Dans les zones ainsi isolées, on peut par exemple effectuer des mesures de température ou de pression.
D'ailleurs, dans de tels forages profonds - dans des projets géothermiques, mais aussi dans le secteur pétrolier - on utilise volontiers des moteurs à rotor hélicoïdal dans un boîtier de stator revêtu de caoutchouc à l'intérieur. Les composants en caoutchouc utilisés ici représentent la moitié du Who's Who de la technologie d'application avancée du caoutchouc : caoutchouc nitrile (NBR), NBR-HR (NBR « High Resistance »), caoutchouc nitrile hydrogéné (HNBR) et même des fluoroélastomères extrêmement résistants aux produits chimiques, en fonction du profil de température et de l'agressivité des liquides de rinçage.
À propos de forage en profondeur : le gaz naturel est également considéré comme un combustible permettant une production d'énergie relativement pauvre en CO2, du moins encore pendant une période transitoire. Actuellement, l'Allemagne s'approvisionne en grande partie en gaz naturel aux États-Unis, où environ 88 % de cette source d'énergie sont extraits par fracturation hydraulique.
Pour cela, il faut entre autres des tuyaux extrêmement performants, capables de résister au contact avec des liquides agressifs qui sont introduits dans la roche pour en chasser le gaz qui s'y trouve. On utilise volontiers ici des produits multicouches dont la couche intérieure est constituée d'un caoutchouc synthétique résistant aux acides ; pour la couche extérieure on utilise des types de caoutchouc présentant une excellente résistance à l'usure et au vieillissement.
Une source de danger redoutée lors de l'extraction de gaz naturel est la libération incontrôlée et violente de gaz des gisements, appelée « blowout ». On y remédie à l'aide de « Blowout Preventers » (BOPs), c'est-à-dire de joints en caoutchouc extrêmement résistants - qui résistent également au contact avec le sulfure d'hydrogène et les fluides corrosifs et abrasifs. Ces joints coûtent très cher et doivent donc durer longtemps. Dans ce cas, on a volontiers recours au HNBR.
Biogaz et hydrogène
En 2021, environ neuf pour cent de la surface agricole totale de l'Allemagne ont été utilisés pour la production de matières premières renouvelables pour la production de biogaz.
Or, le biogaz contient non seulement le combustible qu’est le méthane, mais aussi des composants corrosifs comme le sulfure d'hydrogène et l'ammoniac. C'est pourquoi les installations de biogaz utilisent entre autres des membranes EPDM (« caoutchouc éthylène-propylène-diène saturé »), qui sont toutefois en concurrence avec les doubles membranes en tissus polyester enduits de PVC. Les deux matériaux ont leurs avantages et leurs inconvénients dans cette application ; le caoutchouc EPDM est toutefois un peu plus flexible et se recycle bien.
Si les tâches décrites jusqu'à présent pour les matériaux en caoutchouc sophistiqués pouvaient encore être résolues de manière à peu près « classique », cela devient vraiment difficile quand il s’agit d'hydrogène. L'hydrogène ne se liquéfie à pression normale qu'à des températures extrêmement basses ; c'est pourquoi les matériaux d'étanchéité pour une future économie de l'hydrogène doivent être conçus pour un large spectre de températures (de moins 40 à plus de 80°C). En outre, ils doivent pouvoir résister à des pressions élevées.
Le problème est : les molécules d'H2 non polaires peuvent se diffuser à travers les matériaux d'étanchéité habituels et les affecter. Si l'hydrogène se dépose peu à peu dans le matériau d'étanchéité, il peut même se produire des décompressions explosives qui détruisent le joint. Pourtant, ces derniers sont absolument nécessaires dans l'économie de l'hydrogène : pour l'électrolyse, dans les vannes ou membranes, pour le transport dans les réservoirs et les conduites, et bien sûr dans les piles à combustible.
En fait, les joints en caoutchouc véritablement résistants à l'H2 font encore l'objet de recherches ; il sera éventuellement possible d'y parvenir en combinant intelligemment des types de caoutchouc étanches aux gaz et des charges qui empêchent le gonflement et la perméation de l'hydrogène. Les élastomères de base peuvent être du caoutchouc butyle - déjà relativement étanche aux gaz - ou des caoutchoucs fluorés ; des additifs en forme de plaquettes, tels que des silicates en couches ou du graphite, peuvent aider à réduire encore le passage des gaz.
Pour faciliter le transport de l'hydrogène, on parle depuis peu de supports alternatifs, par exemple de l'ammoniac, NH3, gazeux à température ambiante, qui se liquéfie et se stocke plus facilement. Dans ce cas, il faut également des caoutchoucs haute performance résistants aux basses températures, mais aussi particulièrement résistants aux bases.
Bien sûr, l'hydrogène fonctionne déjà de manière très fiable dans les piles à combustible. Mais le matériau d'étanchéité parfait pour cela n’existe pas. Car il n'existe pas un seul type de pile à combustible : on connaît par exemple les piles à combustible alcalines, à acide phosphorique, à électrolyte polymère et à haute température. Cependant, dans ce domaine aussi des matériaux d'étanchéité liés par des élastomères et à forte teneur en charges spéciales sont déjà utilisés pour les tâches d'étanchéité.
Énergie éolienne
Les éoliennes s'élèvent de plus en plus haut : avec des diamètres de rotors allant de 150 à plus de 220 m, elles peuvent aujourd'hui tout à fait atteindre des puissances nominales de plus de 10 MW.
Les matériaux élastiques utilisés ici sont soumis à des exigences élevées, notamment offshore, en raison des rayons UV, de l'ozone (qui n'est de toute façon pas rare près des installations électriques), de l'eau salée et des fortes variations de température. En outre, les meilleures propriétés ignifuges sont bien entendu requises, car une fois qu'une nacelle a pris feu, il est pratiquement impossible de l'éteindre.
Dans ces nacelles, il faut par exemple des composants pour le découplage des vibrations et la suspension élastique du générateur : les amortisseurs en caoutchouc se trouvent par exemple au niveau des liaisons entre les pales du rotor et le moyeu. Ils y absorbent les forces et les oscillations et contribuent à minimiser les vibrations et à réduire les bruits.
Parmi les centaines de kilos de matériaux élastomères utilisés dans les éoliennes, il est difficile de trouver du caoutchouc naturel, ne serait-ce qu'en raison de sa résistance problématique aux intempéries et à l'ozone. Pour les arbres de rotation en caoutchouc plein, on utilise volontiers du caoutchouc NBR. Dans les bagues d'étanchéité radiales, on trouve souvent du caoutchouc HNBR résistant à l'ozone, qui supporte en outre des températures de 170°C pendant une courte période. Avec une armature appropriée, ce matériau peut également être utilisé dans des roulements de grand diamètre, et même dans des roulements principaux lubrifiés à la graisse, en raison de sa résistance à l'huile.
Les câbles qui transportent l'électricité des éoliennes offshore peuvent devenir très chauds. Dans ce cas, il faut des matériaux en caoutchouc présentant une plus grande résistance à la température, par exemple en EPDM en plus du HNBR.
Et, ne l'oublions pas : le caoutchouc n'est pas seulement nécessaire lors de l'utilisation de ces installations. Dès la fabrication des rotors à partir d'éléments en PRV, des profilés en caoutchouc silicone, butyle ou EPDM sont nécessaires.
Installations solaires
Pour les installations solaires, il faut bien sûr aussi des joints qui maintiennent les modules en place et veillent à ce que la pluie ne puisse pas s'y infiltrer. Les joints verticaux qui maintiennent plusieurs modules photovoltaïques à distance sont par exemple en caoutchouc de silicone ou en EPDM résistant aux intempéries.
Mais c'est généralement un autre matériau qui assure les fonctions centrales d'étanchéité. Les modules solaires sont ainsi souvent encapsulés dans des films d'éthylène-acétate de vinyle (EVA). Les modules solaires sont alors enfermés dans deux couches de ce matériau ; lorsque le film fond, il entoure parfaitement les cellules. L'EVA est particulièrement translucide et résistant aux intempéries, et présente une large plage de traitement ; ce n'est certes pas un élastomère classique, mais il peut être considéré, selon la proportion d'acétate de vinyle, comme un matériau « similaire aux élastomères ». Il existe également des approches visant à remplacer les films EVA issus de sources fossiles par des variantes contenant un pourcentage élevé d'« éthylène de canne à sucre » biosourcé.
Et pour que les panneaux solaires chics ne glissent pas sur les toits plats chics, les installateurs ont volontiers recours à des tapis en EPDM : ils offrent une adhérence supplémentaire sur les surfaces glissantes et empêchent les modules de se déplacer avec le temps.
Et puisqu'on parle de bâtiments : bien entendu, les pompes à chaleur aussi ne peuvent guère se passer de caoutchouc. Mais ici, on a plutôt besoin de joints et de tuyaux (résistants aux intempéries) qui présentent une flexibilité suffisante même à des températures basses, mais aussi de tapis antivibrations en caoutchouc qui réduisent les vibrations indésirables des appareils.
Le caoutchouc est donc loin d'être un matériau « obsolète ». Sans des types de caoutchouc extrêmement performants, la transition énergétique et la lutte contre le changement climatique ne fonctionneraient pas.
À la K 2025, la Rubberstreet sera à nouveau la vitrine de la force d'innovation et de la performance du secteur des élastomères. Depuis 1983 déjà, elle est le point de contact et d'orientation pour tous ceux qui souhaitent s'informer sur les élastomères (caoutchouc & TPE) au salon K. La Rubberstreet est parrainée par la wdk (fédération économique de l'industrie allemande du caoutchouc).
À propos de l'auteur :
Stefan Albus, docteur en chimie, est journaliste indépendant spécialisé. Ses domaines de prédilection sont la chimie des polymères et les technologies d'application des matières plastiques et du caoutchouc.
À propos de la K à Düsseldorf :
Organisée pour la première fois en 1952 par Messe Düsseldorf, la K a lieu tous les trois ans. La dernière K, en 2022, a accueilli 3020 exposants de 59 pays sur plus de 177000 m² de surface d'exposition nette et 177486 visiteurs professionnels, dont 71 % venus de l'étranger. Plus d'informations sur www.k-online.com.
