Brevet FR3128222A1 — publié le 20230421

L’invention concerne des compositions de filaments consommables pour impression 3D comprenant au moins polyhydroxyalcanoate. L’invention concerne également un procédé de préparation de telles compositions. L’invention concerne encore des filaments consommables pour impression 3D comprenant de telles compositions. Compositions à base de polyhydroxyalcanoate(s) pour la réalisation de filaments d’impression 3D, procédé de préparation de ladite composition et filament consommable pour impression 3D correspondants. La présente invention appartient au domaine technique des compositions pour impression 3D. Plus particulièrement, l’invention concerne des compositions de filaments consommables pour impression 3D comprenant au moins polyhydroxyalcanoate. L’invention concerne également un procédé de préparation de telles compositions. L’invention concerne encore des filaments consommables pour impression 3D comprenant de telles compositions. Art antérieur Les polyhydroxyalcanoates (PHA) sont des polyesters de type thermoplastiques naturels qui peuvent être utilisés en remplacement des plastiques conventionnels dans différents domaines d’application, tels que les emballages de consommation, les doublures de couches jetables et les sacs poubelles, les produits alimentaires et médicaux, etc. Les efforts initiaux se sont concentrés sur leur utilisation pour des applications de moulage ou de thermoformage, en particulier pour des articles d'emballage de consommation tels que des bouteilles, des récipients pour cosmétiques, des stylos ou encore des tees de golf. Une des propriétés les plus utiles des PHA, qui les distingue facilement des polymères dérivés de la pétrochimie, est leur origine naturelle et leur biodégradabilité, par exemple en compost domestique, industriel, dans les eaux douces ou dans l’eau de mer, et plus généralement dans tout milieu dans lequel un écosystème vivant et actif est présent. La vitesse de biodégradation de ces PHA va dépendre de différents facteurs. La présence de microorganismes, la température, le pH, le poids moléculaire et la cristallinité en sont les principaux. Les PHA sont synthétisés naturellement par certains microorganismes lorsque l’environnement naturel est défavorable. Ce sont des molécules de réserves permettant au microorganisme de survivre. La production de ces PHA par voie biotechnologique utilise notamment des biofermenteurs qui permettent de contrôler parfaitement les conditions de production de ce biopolymère. La structure chimique d’un PHA est un polyester caractérisé par la longueur de la chaîne latérale en nombre de carbone. Il existe donc différentes structures chimiques de PHA : - les PHA scl, qui comprennent de 3 à 5 carbones ; - les PHA mcl, qui comprennent de 6 à 14 carbones ; et - les PHA lcl, qui comprennent un nombre supérieur à 14 carbones. Il existe actuellement des compositions pour la fabrication de filaments 3D contenant des PHA. Ce sont principalement des PHB (PHA scl ayant 4 carbones) utilisés en faible quantités en formulation avec d’autres polymères qui ne sont pas des biopolymères (acide polylactique (PLA) principalement) ou des additifs (charges et fibres principalement). De telle compositions de l’art antérieur comprennent par exemple 20% de PHA pour 80% de PLA. Contre toute attente, les inventeurs de la présente invention ont réussi à mettre au point des filaments 3D composés majoritairement de biopolymères PHA. Ces PHA peuvent être intégrés soit seuls en formulation dans la fabrication de ces filaments, soit avec des fibres et/ou charges, en proportion minoritaire. Description de l'invention L’invention consiste donc en des compositions comprenant au moins un PHA en tant qu’ingrédient majoritaire. Ces compositions sont adaptées à la fabrication de filaments pouvant être utilisés en impression 3D. Une technique d’impression 3D qui met en œuvre ces compositions est par exemple l’impression 3D par dépôt de matière fondue, qui consiste à déposer un matériau fondu, type plastique, par couches successives via une extrudeuse qui se déplace et construit un objet physique en suivant un dessin défini par un fichier de conception assistée par ordinateur. Ainsi, un premier objet selon l’invention concerne une composition de filaments consommables pour impression 3D comprenant une teneur de 50 à 99% en poids, par rapport au poids total de ladite composition, d’au moins un polyhydroxyalcanoate (PHA). L’invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et originale de fabriquer des filaments pour impression 3D. De telles compositions selon l’invention comprenant des PHA en tant qu’ingrédients majoritaires, biopolymères d’origine naturelle et biodégradables, sont avantageuses d’un point vue écologique et économique. Selon un mode de réalisation, l’au moins un PHA est choisi parmi le groupe comprenant : PHA scl, PHA mcl, PHA lcl, et leur combinaison. L’utilisation de ces différents types de PHA permet de moduler les paramètres physiques et chimiques des compositions au regard des divers systèmes de fabrication additive dans lesquels elles peuvent être utilisées, ainsi que des divers objets imprimables. Selon un mode de réalisation, une telle composition comprend en outre au moins un additif. Il est donc avantageusement possible de rajouter différents types d’additifs pour que la composition soit davantage adaptée à une extrusion de filament 3D. Selon un mode de réalisation, cet au moins un additif est choisi parmi les fibres, les charges et leur combinaison. Selon un mode de réalisation, une telle composition comprend une teneur de 0,01% à 10% en poids de fibres, par rapport au poids total de la composition et/ou une teneur de 0,01% à 40% en poids de charges, par rapport au poids total de la composition. Ces gammes de valeurs acceptables pour l’intégration d’additifs dans les compositions selon l’invention permettent d’adapter encore davantage ces compositions en fonction de l’environnement d’impression 3D. Selon un mode de réalisation, l’au moins un PHA est issu de bactéries choisies parmi un groupe comprenant les bactéries de souche CNCM I-5658 et les bactéries de souche CNCM I-5079. Un deuxième objet selon l’invention concerne un procédé de préparation d’une composition selon l’invention, ce procédé comprenant les étapes suivantes : -culture de bactéries productrices de PHA ; -concentration d’une biomasse cellulaire créée par cette culture de bactéries ; -séchage de la biomasse cellulaire ; -extraction du PHA de la biomasse ; -purification du PHA ; la composition comprenant une teneur de 50 à 99% en poids du PHA, par rapport au poids total de la composition. Ce procédé, qui permet de préparer une composition selon l’invention, met en œuvre des étapes classiques de préparation de PHA, qui ne nécessitent nullement un matériel difficile à se procurer. Selon un mode de réalisation, l’au moins un PHA extrait et mis en œuvre dans ce procédé est choisi parmi le groupe comprenant : PHA scl, PHA mcl, PHA lcl, et leur combinaison. Selon un mode de réalisation, la composition préparée par ce procédé comprend en outre au moins un additif, lequel est choisi parmi les fibres et les charges. Un troisième objet selon l’invention concerne un filament consommable pour impression 3D qui comprend une composition telle que décrite précédemment. Composition de filaments consommables pour impression 3D caractérisée en ce qu’elle comprend une teneur de 50 à 99% en poids, par rapport au poids total de ladite composition, d’au moins un polyhydroxyalcanoate (PHA). Composition selon la revendication 1 caractérisée en ce ledit au moins un PHA est choisi parmi le groupe comprenant : PHA scl, PHA mcl, PHA lcl, et leur combinaison. Composition selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce qu’elle comprend en outre au moins un additif. Composition selon la revendication 3 caractérisée en ce que ledit au moins un additif est choisi parmi les fibres, les charges et leur combinaison. Composition selon la revendication 4 caractérisée en ce qu’elle comprend une teneur de 0,01% à 10% en poids desdites fibres, par rapport au poids total de la composition et/ou une teneur de 0,01% à 40% en poids desdites charges, par rapport au poids total de la composition. Composition selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que ledit au moins un PHA est issu de bactéries choisies parmi un groupe comprenant les bactéries de souche CNCM I-5658 et les bactéries de souche CNCM I-5079. Procédé de préparation d’une composition selon les revendications 1 à 6 comprenant les étapes suivantes : -culture de bactéries productrices de PHA ; -concentration d’une biomasse cellulaire créée par ladite culture de bactéries ; -séchage de ladite biomasse cellulaire ; -extraction dudit PHA de ladite biomasse ; -purification dudit PHA ; caractérisé en ce que ladite composition comprend une teneur de 50 à 99% en poids dudit PHA, par rapport au poids total de la composition. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que ledit au moins un PHA est choisi parmi le groupe comprenant : PHA scl, PHA mcl, PHA lcl, et leur combinaison. Procédé selon la revendication 7 ou 8 caractérisé en ce que ladite composition comprend en outre au moins un additif, ledit additif étant choisi parmi les fibres et les charges. Filament consommable pour impression 3D comprenant une composition selon les revendications 1 à 6.