Technologies des fibres UHMWPE, tendances du marché, procédés de production et principales applications dans les domaines de la défense, du génie maritime et de la protection industrielle.
1. Taille du marché et domaines de consommation des UHMWPE
La fibre UHMWPE a un large éventail d'applications en aval, mais elle est actuellement concentrée dans des applications industrielles à barrière relativement élevée telles que les gilets et casques pare-balles, les cordes et câbles marins et les gants résistants aux coupures. La demande du marché mondial pour la fibre UHMWPE est estimée entre 70 000 et 80 000 tonnes d'ici 2025, avec un taux de croissance annuel moyen d'environ 12 %, maintenant une tendance de croissance constante. La structure de consommation du marché mondial présente une caractéristique de double usage, la protection pare-balles (y compris les équipements militaires et policiers et la protection de la sécurité publique) représentant environ 52 % de la consommation, restant la plus grande demande. Les applications non liées à la protection ont augmenté à 48 %, l'ingénierie maritime et les sports et loisirs représentant respectivement environ 18 % et 12 %, tandis que les applications émergentes telles que les sutures médicales et le renforcement des pales d'éoliennes représentent au total 18 %.
La Chine reste le plus grand consommateur mondial de fibre UHMWPE, avec une demande projetée entre 40 000 et 41 000 tonnes en 2025. La structure de la consommation reste dominée par trois domaines principaux : les équipements militaires et policiers (36 %), les industries maritimes (32 %) et la sécurité et la protection au travail (23 %). L'industrie maritime bénéficie de la stratégie « Maritime Power », avec une croissance annuelle significative d'applications telles que les câbles d'amarrage en haute mer. La part de la consommation combinée des secteurs civils traditionnels comme les textiles de maison, les équipements sportifs et l'ingénierie de construction, ainsi que des secteurs émergents tels que les substrats de séparation des batteries au lithium, devrait atteindre 8 à 10 %. Bien que la fibre UHMWPE étende ses applications commerciales sur les marchés civils tels que les textiles de maison et les équipements sportifs, son coût élevé a entravé le développement réel du marché. À court et moyen terme, le marché en aval devrait être principalement tiré par la croissance des secteurs des équipements militaires et policiers, de la sécurité et de la protection au travail et des câbles et câbles marins, avec une demande intérieure totale atteignant 55 000 tonnes d'ici 2028, ce qui représente un taux de croissance annuel composé de 10 %.
2. Principaux producteurs d'UHMWPE
Actuellement, seuls quatre pays dans le monde – les Pays-Bas, les États-Unis, le Japon et la Chine – ont réussi à produire à grande échelle des fibres UHMWPE. En 2023, la capacité mondiale de production de fibres UHMWPE était de 67 000 tonnes/an, dont environ 22 000 tonnes/an à l’étranger, et la Chine représentait 45 000 tonnes/an. Trois sociétés – Evante (États-Unis), Honeywell (États-Unis) et Toyobo (Japon) – monopolisent la technologie des produits en fibre UHMWPE haut de gamme à l'échelle mondiale, avec des capacités de production de 14 200 tonnes/an (procédé sec), 3 200 tonnes/an (procédé humide) et 3 000 tonnes/an (procédé sec), respectivement. En outre, Mitsui Petrochemical (Japon) et Teijin (Japon) produisent également de petites quantités de fibre UHMWPE. DSM (Pays-Bas) a été la première entreprise au monde à industrialiser la production de fibres UHMWPE à grande échelle. En 2022, ses activités connexes ont été acquises par Evante (États-Unis), qui est désormais le plus grand producteur mondial de fibres UHMWPE, offrant la meilleure qualité de produits et le portefeuille de marques le plus complet.
3. Tendances de développement et suggestions pour l’industrie des fibres UHMWPE
3.1 Développer des processus de production plus respectueux de l’environnement Le processus humide existant de filage-super-étirement de gel de fibres UHMWPE utilise une grande quantité de solvant et d’agent d’extraction pendant la production. Il faut 10 à 15 tonnes de solvant pour produire 1 tonne de produit, puis 30 à 45 tonnes d'agent d'extraction pour déplacer le solvant. Pour des raisons environnementales et financières, un système de recyclage des solvants et des agents d'extraction doit être mis en œuvre simultanément pour améliorer l'efficacité de l'utilisation des matériaux et réduire les émissions de polluants. Selon les données divulguées dans les rapports d'évaluation de l'impact environnemental de plusieurs projets de fibres UHMWPE, la consommation réelle d'agent d'extraction pour produire 1 tonne de produit en fibres UHMWPE est d'environ 0,031 à 0,264 tonnes, et la consommation d'huile blanche est d'environ 0,06 à 0,232 tonnes. En revanche, le procédé par voie sèche ne nécessite aucun agent d'extraction et la consommation de solvant décahydronaphtalène est d'environ 0,04 à 0,075 tonne. Le dichlorométhane et le tétrachloroéthylène, agents d'extraction couramment utilisés dans la technologie des procédés humides, sont tous deux des polluants toxiques, dangereux et étroitement contrôlés. Les deux sont répertoriés dans la « Liste des produits chimiques contrôlés prioritaires (premier lot) », la « Liste des polluants atmosphériques toxiques et dangereux (2018) » et la « Liste des polluants aquatiques toxiques et dangereux (premier lot) ». Avec des politiques de gestion de l'environnement et de la sécurité de plus en plus strictes dans mon pays, la technologie des procédés humides doit de toute urgence trouver des alternatives aux agents d'extraction qui soient moins toxiques, moins nocifs, voire non toxiques. Au cours des deux dernières années, les chercheurs ont proposé de nouveaux agents d'extraction basés sur des liquides ioniques pour éliminer l'huile blanche de solvant provenant de la production de fibres de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé.
Bien que les fibres UHMWPE présentent d'excellentes propriétés mécaniques, elles souffrent de défauts en termes de résistance à la chaleur, de résistance au fluage et de résistance à l'oxydation. De plus, en raison de la faible énergie de surface et du manque de groupes polaires, les fibres UHMWPE ont de mauvaises propriétés de traitement de surface, se manifestant principalement par une mauvaise adhérence entre la fibre et la matrice de résine, une liaison interfaciale insuffisante et une susceptibilité à la rupture interfaciale et au décollement sous contrainte, conduisant à une réduction des propriétés mécaniques du matériau composite. Par conséquent, les traitements de modification spécifiques pour les fibres UHMWPE revêtent une grande importance pour élargir davantage leur gamme d’applications et promouvoir la mise à niveau des produits, et sont devenus l’un des sujets brûlants de la recherche industrielle. Pour la modification de la résistance à la chaleur et de la résistance au fluage, la méthode courante consiste à mélanger des particules inorganiques ou des agents de couplage dans la matière première UHMWPE, ce qui améliore à la fois la résistance à la chaleur et la résistance au fluage tout en améliorant les propriétés mécaniques de la fibre. Pour remédier à l'adhérence de surface insuffisante des fibres UHMWPE, les méthodes de modification courantes comprennent la modification par plasma, le traitement d'oxydation, la réticulation par rayonnement ultraviolet et la réticulation par réactif chimique. Le but est d'introduire des groupes actifs ou d'augmenter la rugosité de la surface des fibres.
3.2.1 Fibres UHMWPE teintes dans la masse En raison de leurs excellentes propriétés, les fibres UHMWPE sont largement utilisées dans des domaines importants tels que la technologie de la défense nationale, l'ingénierie militaire, l'aérospatiale et la protection médicale. Cependant, comme les chaînes macromoléculaires des fibres UHMWPE manquent de groupes fonctionnels autres que les liaisons covalentes carbone-hydrogène, il est difficile pour les molécules de colorant générales de se lier à elles pour la teinture. La non-polarité et la régularité de ses molécules rendent difficile la pénétration des molécules de colorant, ce qui entraîne des difficultés dans la teinture des fibres. Par conséquent, ses produits ont des options de couleurs limitées, limitant ses domaines d’application. Pour résoudre le problème de la teinture difficile des fibres haute performance, une technologie de teinture en solution, une teinture sur support, une teinture avec solvant non aqueux et une teinture par modification de la surface des fibres ont été proposées. Parmi celles-ci, les fibres teintes en solution font référence aux fibres colorées obtenues en ajoutant des colorants à la solution de filage ou en les fondant puis en les filant ; elles sont également connues sous le nom de fibres non teintes ou de fibres teintes avant filage. Par rapport aux techniques de teinture traditionnelles, la technologie de teinture en solution offre des avantages tels que les économies d'énergie et la protection de l'environnement, une solidité des couleurs élevée, un flux de processus simplifié et un faible coût de production, ce qui en fait la méthode de teinture la plus largement utilisée pour les fibres UHMWPE. Bien que certaines entreprises nationales aient réussi à produire à grande échelle des fibres UHMWPE teintes dans la masse, elles sont toujours confrontées à des problèmes tels que des propriétés mécaniques réduites, une production instable et des difficultés de correspondance des couleurs. Par conséquent, les fibres UHMWPE teintes dans la masse nécessitent encore des recherches et un développement approfondis.
3.2.2 Résistance au fluage des fibres UHMWPE Les fibres UHMWPE ont une mauvaise résistance au fluage ; c'est-à-dire que sous une certaine température et une force externe constante, la déformation des fibres UHMWPE augmente progressivement avec le temps. En raison de cette caractéristique, la stabilité dimensionnelle et morphologique des fibres UHMWPE est médiocre, ce qui affecte grandement leur application dans les matériaux composites, les cordes et d'autres domaines. Actuellement, la rupture par fluage est un problème urgent à résoudre dans l’application des câbles en fibre UHMWPE.
Les propriétés de fluage des fibres UHMWPE sont étroitement liées à leur structure moléculaire. Généralement, les propriétés de fluage des fibres sont liées à la taille des chaînes macromoléculaires, à la présence de groupes polaires dans les macromolécules et à la présence d'interactions polaires entre molécules. En raison de la structure moléculaire simple de l'UHMWPE et de l'absence de liaisons hydrogène entre les molécules, ainsi que du fait que les forces de Van der Waals ne sont que des forces de dispersion, ses forces intermoléculaires sont relativement faibles, ce qui le rend sujet au glissement et au fluage intermoléculaires.
Dans la recherche sur les fibres UHMWPE résistantes au fluage, diverses méthodes ont été explorées pour améliorer leurs performances, l'introduction de groupes de réticulation étant la plus largement étudiée. Les chercheurs ont réticulé des fibres composites UHMWPE/CNT en utilisant un rayonnement ultraviolet sur un réacteur photochimique. Lorsque le temps d'irradiation ultraviolette était de 8 minutes et que la fraction massique de la solution de réticulation était de 20 %, sa résistance au fluage était meilleure, avec une réduction du fluage de 19,68 % par rapport aux fibres non réticulées. De plus, les chercheurs ont utilisé le peroxyde de benzoyle (BPO) et le vinyltriméthoxysilane (VTMS) comme initiateurs et modificateurs de greffage, respectivement, pendant le processus d'extraction des fibres de gel UHMWPE pour effectuer une modification de réticulation du silane. Les fibres UHMWPE modifiées préparées présentaient une résistance au fluage considérablement améliorée. En effet, l'introduction d'agents de couplage silane peut former une structure de réseau réticulée à l'intérieur de la fibre, limitant ainsi le glissement entre les chaînes moléculaires.
D'autres études connexes ont introduit un ou plusieurs monomères du butadiène, du styrène, de l'acrylate de méthyle et de l'isocyanurate de triallyle pour induire des réactions d'autopolymérisation ou de réticulation, formant une structure de réseau polymère semi-interpénétrée avec les chaînes moléculaires du polyéthylène. Cela augmente la densité d'enchevêtrement à l'intérieur de la fibre de polyéthylène, réduit le glissement des chaînes moléculaires de polyéthylène et améliore ainsi la résistance au fluage des fibres UHMWPE.
3.2.3 Fibres UHMWPE résistantes aux hautes températuresActuellement, les principales méthodes permettant d'améliorer les propriétés ignifuges des fibres UHMWPE comprennent la copolymérisation, le mélange et le greffage. Par exemple, certains chercheurs ont ajouté des nanoparticules d'hydroxyde de magnésium modifié par l'acide oléique à l'UHMWPE, ce qui a donné lieu à des fibres nanocomposites d'UHMWPE produites par filage de gel sec, qui présentaient une inflammabilité réduite et augmentaient la température de décomposition initiale de 30 °C. D'autres ont utilisé des microsphères de carbone recouvertes d'hydroxyde de magnésium comme ignifugeants, avec du titanate de tétrabutyle et du phosphite de triphényle comme activateurs, pour préparer des fibres UHMWPE ignifuges via une méthode de cuisson au tampon, atteignant un indice limite d'oxygène de 23,8 %, 36 % supérieur à celui des fibres UHMWPE pures. En outre, un système de suspension ignifuge azote-phosphore a été formulé en mélangeant du cyanurate de mélamine avec du diéthylphosphonate d'aluminium, et des fibres de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé (PE-UHMW) ignifuges sans halogène ont été produites à l'aide d'une méthode de filage mélangé, atteignant un indice limite d'oxygène de 27,5 % et démontrant un certain effet ignifuge. Cependant, à mesure que la teneur en ignifugeants augmente, les propriétés mécaniques des fibres diminuent dans une certaine mesure. Ces études indiquent que la résistance thermique des fibres UHMWPE peut être améliorée grâce à diverses méthodes, mais que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour surmonter d'autres limitations de performances.
3.2.4 Fibres UHMWPE à haute résistanceActuellement, la résistance à la traction des produits en fibres UHMWPE haut de gamme atteint plus de 40 cN/dtex, mais cela ne représente qu'environ 8 % de la résistance théorique. C’est pourquoi les chercheurs explorent activement diverses méthodes de modification pour améliorer les propriétés mécaniques des fibres. Des études ont montré que les fibres UHMWPE avec une fraction massique de 5 % de nanotubes de carbone multiparois (MWNT) ont une résistance à la traction de 4,3 GPa, soit 18,8 % et 15,4 % de plus que les fibres UHMWPE pures, respectivement. Cela est principalement dû au fait qu’à des taux d’étirement élevés, les MWNT s’alignent dans la direction d’étirement. Cette orientation induit un fort transfert de charge interfacial sous des déformations faibles et importantes, améliorant ainsi la rigidité et la résistance à la traction de la fibre composite. De plus, lors de l’étape d’extraction des fibres en gel, le module mécanique des fibres UHMWPE additionnées de 1 % de nano-silice (SiO2) a augmenté d’environ 10 %, probablement parce que les particules de nano-SiO2 agissent comme des points de réticulation au sein de la fibre. Les chercheurs ont découvert que les fibres UHMWPE préparées en utilisant 20 % d’huile d’olive comme solvant mixte présentaient un démêlage des chaînes moléculaires nettement plus important et une rétention de poids moléculaire plus élevée. Comparées aux fibres UHMWPE préparées à partir de décahydronaphtalène seul, ces fibres ont montré des augmentations de la résistance à la traction (33,85 cN/dtex) et du module de traction (1 673,27 cN/dtex), représentant des augmentations de 24,0 % et 32,3 %, respectivement. De plus, le point de fusion, la cristallinité et l’orientation des fibres UHMWPE ont été considérablement améliorées.
3.3 Réduire continuellement la consommation d’énergie des produitsLa production de fibres UHMWPE nécessite des ressources énergétiques importantes telles que l'électricité et la vapeur. De plus, les machines et équipements sont de grande taille, ce qui entraîne des coûts d’amortissement élevés. Les coûts énergétiques et de fabrication peuvent représenter environ 50 % du coût total. Les fabricants existants présentent des différences significatives dans la consommation unitaire d’énergie et d’électricité en raison des variations dans les processus spécifiques et les niveaux technologiques. Les nouveaux projets des trois dernières années ont vu une consommation d'électricité allant de 0,72 à 3,6 millions de kWh/tonne de fibre, une consommation de vapeur de 8 à 24,6 tonnes/tonne de fibre et une consommation globale d'énergie de 1,66 à 5,66 tonnes d'équivalent charbon standard/tonne de fibre.
Ces dernières années, la Chine a activement et régulièrement promu sa stratégie « double carbone », en augmentant continuellement les mesures d'économie d'énergie et de réduction des émissions de carbone. L’industrie améliore également continuellement ses processus et ses technologies. La réduction de la consommation d'énergie et des coûts de production est une tendance de développement à long terme pour la technologie de production de fibres UHMWPE. Les entreprises maîtrisant des processus et des équipements avancés bénéficieront d’un avantage de premier plan en termes de coûts dans le cadre d’une concurrence féroce sur le marché à l’avenir.
