Date de rapport 27-09-2021

Le projet BIOHARV s’inscrit dans une démarche de spécialisation des industries transfrontalières du textile / plasturgie vers des applications émergentes à haute valeur ajoutée (micro-générateurs d’energie et capteurs / transducteurs) et propose d’établir dans la zone transfrontalière un savoir-faire technico-scientifique sur les polymères biosourcés piézoélectriques. Les activités R&D du projet BIOHARV visent à maitriser / optimiser (i) les procédés de fabrication de fibres / films à base d’acide polylactique biosourcé piézoélectrique (PiezoPLA) et (ii) les procédés d’assemblage PiezoPLA / électrodes pour developper des prototypes. Pour atteindre ces objectifs, le projet BIOHARV repose sur une collaboration étroite entre divers spécialistes académiques régionaux de la plasturgie/textile. Dans une première phase du projet BIOHARV, divers procédés de transformation du PLA commercial en PiezoPLA ont été testé à l’échelle laboratoire / pilote (IMT LD, Centexbel & UMons) et divers objets à base de PiezoPLA ont été produits avec succès (films minces, bandes / filaments textiles et structures tissées). Les propriétés piézoélectriques des films minces PiezoPLA ont été quantifiées (ULille & UPHF) et diverses techniques d’assemblage PiezoPLA / électrodes métalliques (Armines) ont ensuite été étudiées. Ces activités ont permis le développement d’une première génération de prototypes basée sur des électrodes collées en cuivre et divers bancs d’essais ont été élaborés pour mesurer leurs performances électromécaniques. Ces premières activités R&D ont mis en évidence des perspectives très intéressantes pour des films minces monoétirés de PiezoPLA et une activité piezoelectrique significative a également été démontrée pour des structures textiles (bandes textiles PiezoPLA et structures tissées à base de filaments PiezoPLA). Dans une deuxième phase du projet BIOHARV, les activités R&D se sont principalement focalisées sur (i) l’optimisation des propriétés piézoélectriques du PiezoPLA à l’échelle laboratoire/pilote et (ii) l’optimisation de la durabilité des prototypes. Concernant l’optimisation des propriétés piézoélectriques du PiezoPLA, de nouvelles formulations avancées PiezoPLA ont été développés avec succès par les opérateurs. Sur la base des assemblages précédemment validés, des prototypes de génération 2 ont été mis au point avec des performances électromécaniques (tension / puissance électrique délivrées) augmentées d’un facteur 2 – 3 par rapport aux prototypes de génération 1. Les formulations PiezoPLA / plastifiants sont assez prometteuses mais les conditions de mise en œuvre d’extrusion-étirage ont également un impact très positif sur les performances électromécaniques. Une attention particulière est également portée sur les caractérisations structurales à diverses échelles (structuration cristalline et mesophasique, échelles macroscopiques et nanométriques) afin d’accroître l’expertise scientifique transfrontalière sur les relations procédés/structures/propriétés et l’optimisation du PiezoPLA. Le remplacement des électrodes métalliques par des électrodes souples a également été considéré via le développement d’électrodes souples 1D / 2D adhérentes au PiezoPLA. Une attention particulière a été portée sur les procédés d’impression / surmoulage et de tissage multimatières. Pour les électrodes 2D souples, des formulations specifiques ABS-TPU / nanotubes de carbone ont eté développées en collaboration avec l’entreprise Nanocyl et des essais de prototypage ont été entrepris sur des films PiezoPLA. Diverses problématiques ont été mises en évidence mais des résultats très positifs ont été obtenus avec des électrodes TPU surmoulées par thermocompression. Une augmentation d’un facteur 6 des performances électromécaniques a été relevée par rapport à la génération précédente de prototypes. Ces résultats très encourageants sont particulièrement observés avec les films PiezoPLA incorporant des plastifiants (Vcc 3V, Vrms 1V en conditions mécanique normées et standardisées) et ces conclusions confirment l’impact majeur de l’adhesion PiezoPLA / électrodes. Cependant, le développement d’electrodes 1D souples pour les tissus PiezoPLA reste un sujet complexe à maitriser et quelques approches interessantes ont été étudiées par Centexbel pour tendre vers des prototypes textiles à base de tissus PiezoPLA impregnés dans une matrice thermoplastique de type PBS. Dans une dernière phase du projet BIOHARV et dans une optique de valorisation des diverses technologies BIOHARV (films / bandes / tissus PiezoPLA, prototypes, électrodes souples) dans des marchés applicatifs emergents, les opérateurs ont identifié une dizaine d’applications concrètes avec leurs specifications associées. Ces activités ont été suivies par le développement de dispositifs conceptuels en lien avec ces marchés applicatifs. Sur la base des prototypes de génération 1-3, des dispositifs conceptuels à base de structures multicouches PiezoPLA / électrodes TPU ont été mis au point et ces dispositifs ont ensuite été qualifiés par des tests électromécaniques normés / standardisés dans des conditions reproductibles et proches des conditions réelles d’utilisation. Les resultats valident un fort potentiel des films / tissus PiezoPLA pour des applications de type « capteurs d’impact / déformation et transducteurs ultrasonores ». Les applications de type « micro-générateurs d’énergie pour capteurs connectés et dispositifs lumineux » sont également envisageables mais les performances intrinsèques du PiezoPLA restent à améliorer pour ces applications. Ces réalisations collaboratives ont généré de nombreuses activités de communication / valorisation autour de la thématique des polymères piézoélectriques (posters, présentations, articles scientifiques, articles de vulgarisation et organisation de 3 ateliers en collaboration avec des designers et des specialistes de l’électronique flexible / matériaux piezoelectriques). Les expertises et les actualités du projet BIOHARV développées au cours du projet BIOHARV sont entièrement consultables sur le site internet (www.gotos3.eu/bioharv). En conclusion, des challenges technico-scientifiques majeurs subsistent pour augmenter la maturité des technologies BIOHARV et tendre vers les marchés applicatifs émergents de l’électronique flexible. Cependant, les activités R&D collaboratives du projet BIOHARV ont clairement établi une expertise solide exploitable par les industriels de la plasturgie / textile sur les matériaux polymères piezoelectriques et les techniques d’assemblage en prototypes fonctionnels. De nouvelles opportunités de collaboration sont en cours de discussion entre les opérateurs (avec de nouveaux partenaires acédémiques / industriels) sur le développement scientifique et commercial des technologies BIOHARV avec la formalisation d’un programme de travail R&D ambitieux pour la période 2021 – 2026.