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Equipe Recherche sur les Interactions des Matériaux avec leur Environnement

 

 

L’équipe de Recherche sur les Interactions des Matériaux avec leur Environnement (RIME) est localisée à Pau. Depuis le 1er janvier 2020, ses personnels ont rejoint l’Institut des Sciences Analytiques et de Physico-Chimie pour l’Environnement et les Matériaux - IPREM (UMR 5254 CNRS, Université de Pau et des Pays de l’Adour) dont IMT Mines Alès est partenaire.

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Présentation générale

 

L’équipe RIME mène une recherche transversale à l’interface des domaines des matériaux et de l’environnement, agrégeant des compétences en chimie analytique, physico-chimie et physique des matériaux.

Logo Equipe RIME IMT Mines Alès

L’objectif est d’évaluer, comprendre et maîtriser les impacts des matériaux, des procédés et processus associés (fabrication, usage, vieillissement, recyclage, …) sur l’environnement, la santé et les propriétés sensorielles. 

Différents types d’interactions des matériaux avec leur environnement sont étudiées :

Interaction matériau/environnement à l’échelle du polluant

Les matériaux sont susceptibles d’émettre, durant leur cycle de vie (fabrication, usage, vieillissement, recyclage), des substances polluantes potentiellement toxiques (résidus de synthèse, additifs, sous-produits de dégradation). L’enjeu est de mettre en évidence et d’étudier les échanges matériaux/environnement de ces polluants pour en évaluer l’impact. Cela implique le développement de dispositifs expérimentaux et de méthodologies analytiques adaptées aux niveaux de concentrations faibles et aux propriétés physico-chimiques spécifiques de ces composés. Un domaine d’application étudié, et prioritaire en termes de santé publique, est la qualité de l’air intérieur.

Interaction matériau/environnement à l’échelle globale 

Pour les nouveaux produits et les matériaux innovants, il est indispensable d’évaluer le gain environnemental et également d’identifier d’éventuels transferts de pollutions, soit entre des étapes du cycle de vie, soit entre des impacts environnementaux. C’est pourquoi l’équipe met en œuvre des méthodes d’Analyse de Cycle de Vie (ACV) qui permettent d’évaluer l’impact d’une solution, de la comparer à une autre, et ce en prenant en compte le matériau dans sa globalité depuis l’extraction des ressources nécessaires à sa production jusqu’à sa fin de vie.

Interaction matériau/humain

L’équipe RIME s’intéresse aux interactions des matériaux avec l’humain de par l’impact sanitaire potentiel des polluants qu’ils émettent, mais aussi par l’étude de leurs propriétés sensorielles. L’objectif est d’établir une relation entre les propriétés physico-chimiques des matériaux et les propriétés perçues. Les travaux visent notamment à déterminer si des mesures d’aspect peuvent permettre de caractériser l’état ou l’évolution d’un matériau et contribuer à la conception de matériaux à propriétés maîtrisées (matériaux à faible impact environnemental ou sanitaire, matériaux fonctionnalisés).

Compte tenu de la transversalité de ces thèmes de recherche, les applications sont multiples et concernent aussi bien le secteur du bâtiment, des transports, l’agriculture, l’agro-alimentaire que les industries cosmétique ou textile.

Les travaux actuels de l’équipe RIME concernent l’évaluation de l’impact environnemental global des matériaux par Analyse de Cycle de Vie (ACV), l’étude de l’impact des matériaux de construction, décoration et ameublement sur la qualité de l’air intérieur, l’étude de l’effet « cocktail » de polluants de l’air intérieur sur la santé respiratoire. Les travaux concernent aussi la lutte biologique contre les ravageurs de cultures avec l’étude de la diffusion dans l’air de phéromones utilisées en alternative aux pesticides.

Thèmes de recherche

Pour étudier les interactions des matériaux avec leur environnement, l’équipe, au sein de l’UMR IPREM, développe des approches métrologiques innovantes pour étudier les échanges matériau/environnement de polluants émergents, et pour caractériser l’état ou l’évolution d’un matériau.

Cet axe concerne des développements analytiques selon deux approches complémentaires :

  • Analyse spécifique par des méthodes chromatographiques de micropolluants organiques émergents émis par des matériaux dans l’environnement (air/eau) et à l’interface matériau/environnement. On s’intéresse prioritairement aux composés peu étudiés car difficiles à analyser (COV polaires et/ou très volatils, Composés Organiques Semi-Volatils (COSV) tels que certains additifs des matériaux).

Les recherches portent essentiellement sur le développement de méthodes innovantes d’échantillonnage actif ou passif basées sur l’extraction et la pré-concentration des polluants d’intérêt sur des adsorbants. Ces phases solides peuvent être modifiées (imprégnation par un réactif spécifique) selon la sélectivité de l’échantillonnage souhaitée ou l’instabilité du composé dans le système analytique (thermolabilité, réactivité,…). 

Les méthodologies développées sont aussi utilisées en comparaison et validation de méthodes alternatives.

  • Caractérisation rapide et sans contact : ces caractérisations peuvent être physiques (mesures optiques) ou chimiques (détection de traceurs ou détermination d’empreintes moléculaires). Elles sont destinées à constituer la signature d’un matériau (détermination d’origine, authentification) ou de l’impact d’un procédé ou processus associé au matériau.

Les travaux portent principalement sur le développement d’une métrologie innovante permettant la caractérisation de polluants émergents et de traceurs dans l’environnement (air et eau), et le développement d’une approche de caractérisation par empreinte volatile globale, indicateur d’une émission caractéristique, d’un processus, d’un procédé ou d’un métabolisme. 

Le couplage de ces méthodes de mesure physiques (optique) ou d’empreintes chimiques volatiles avec la perception est étudié.

Les méthodologies développées dans le thème 1 permettent de répondre aux problématiques des thèmes 2 et 3. 

Les recherches concernent l’étude des transferts (émission, adsorption/désorption, diffusion) de substances volatiles entre les matériaux et l’air, dans la continuité des travaux déjà menés.

Les développements portent sur l’étude de polluants émergents (additifs organiques semi-volatils) dont le transfert des matériaux vers l’air est peu étudié mais est pourtant déterminant pour l’évaluation et la modélisation de l’exposition humaine. Ce sujet ouvre donc des perspectives vers l’évaluation de l’impact sanitaire de ces polluants et a conduit à de nouvelles collaborations académiques (EHESP, Université de Paris-Descartes). 

L’ouverture de ce thème aux transferts des polluants depuis les matériaux vers l’eau est envisagée.

Il s’agira, grâce aux outils métrologiques développés dans le thème 1, de caractériser un matériau par une mesure optique ou une empreinte volatile pour caractériser son état, l’identifier, l’authentifier (lutte contre la contrefaçon) ou déterminer son origine (concerne le secteur agroalimentaire, par exemple). Il s’agira aussi d’évaluer l’impact de procédés (synthèse, fabrication, recyclage), processus (vieillissement) ou architecture particulière (cœur@écorce, par exemple) sur le matériau et de contribuer à la conception de matériaux à propriétés contrôlées (matériaux à faible impact environnemental ou sanitaire, matériaux fonctionnalisés, matériaux à propriétés maîtrisées).

Dans ce thème, les travaux concerneront aussi les propriétés sensorielles des matériaux.

Les impacts environnementaux d’un matériau ou produit sont étudiés de façon globale selon la méthode d’Analyse du Cycle de Vie (ACV). Cette méthode normalisée permet d’évaluer plusieurs impacts environnementaux tout au long du cycle de vie du matériau : depuis l’extraction des matières premières jusqu’à sa fin de vie (incinération, recyclage,…) en prenant en compte toutes les étapes intermédiaires de mise en œuvre et de transport. La modélisation du cycle de vie s’effectue à l’aide d’un logiciel permettant d’accéder à des bases de données récentes et de calculer les impacts environnementaux potentiels.

Projets de recherche

La qualité de l’air intérieur est un thème de recherche pérenne de l’équipe RIME. Les travaux portent essentiellement sur le développement de méthodes innovantes de prélèvement et d’analyse de COV dans l’air et à l’interface matériau/air. Appliqués en laboratoire ou sur site, ces méthodes et dispositifs expérimentaux permettent l’étude des transferts de substances volatiles entre les matériaux et l’air. Ces méthodologies ont été développées et mises en œuvre dans le cadre de plusieurs projets. Dans le projet ADEME SAFEMATER, en partenariat avec Nobatek/INEF4, IPREM et UT2A, l’objectif est de comparer les émissions de polluants de plusieurs types de revêtements de sol souples ainsi que leurs propriétés d’adsorption (figure 1a, b). L’étude montre que les produits biosourcés ne sont pas forcément moins émissifs que les produits pétrosourcés et que les composés émis peuvent être toxiques : par exemple, les caoutchoucs émettent un additif, le benzothiazole, qui est CMR et qui n’est actuellement pas intégré dans les listes de polluants prioritaires. L’étude des propriétés d’adsorption a montré qu’un matériau de sol (caoutchouc) pouvait jouer un rôle de « puits » de formaldéhyde et modifier significativement les concentrations de ce polluant à l’échelle d’une pièce. L’effet du vieillissement sur les émissions de polluants des produits a aussi été étudié en conditions de laboratoire. Les essais montrent l’émission de fortes concentrations en composés oxygénés (aldéhydes notamment) issus de la dégradation des polymères. Une étude in situ de 6 mois a été effectuée sur la plateforme expérimentale QAI&CO de Nobatek/INEF4, composée de 3 pièces test, afin d’évaluer l’impact de ces revêtements de sol sur la qualité de l’air intérieur dans des conditions réalistes d’usage.

Contaminants émergents émis par les matériaux de construction et d’ameublement
figure 1 (a) Dispositif expérimental pour la détermination de constantes de sorption de COV sur des matériaux ; (b) Cinétique d’adsorption du formaldéhyde (modèle de Langmuir) ; (c) Campagne de mesure in situ des émissions de retardateurs de flamme émis par des meubles rembourrés ((d) cellule d’émission développée au laboratoire).

L’équipe étudie également l’impact sanitaire de polluants émergents (additifs organiques semi-volatils) dont le transfert des matériaux vers l’air est peu étudié mais est pourtant déterminant pour l’évaluation de l’exposition humaine à la pollution de l’air intérieur. Deux thèses ADEME dont une en collaboration avec le CSTB, ont permis de développer des méthodologies analytiques originales pour la mesure des émissions dans l’air de phtalates et des retardateurs de flamme (RF) à partir de matériaux de construction et de meubles rembourrés. L’étude se poursuit dans le cadre d’un projet ANSES (EMIFLAMME), mené en partenariat avec FCBA, EHESP, et Thor SARL, et qui a pour objet de répondre aux interrogations sur le potentiel de transfert des retardateurs de flamme du matériau source vers l’homme via différentes voies d’exposition. La migration d’ignifugeants de type organophosphates dans la salive et la sueur ainsi que leur transfert vers l’air ont été démontrés en laboratoire. L’étude en conditions réelles de leur impact sur la qualité de l’air intérieur est en cours. Une méthode innovante de mesure sur site des émissions de RF développée par l’équipe est développée par l’équipe est appliquée pour caractériser la source des polluants (meubles rembourrés) et son évolution temporelle parallèlement à la mesure des RF dans l’air.

L’équipe RIME réalise actuellement un projet ADEME (RESPAL) en partenariat avec l’équipe HERA, INSERM UMR 1153-CRESS (Université de Paris). L’objectif est d’évaluer l’impact de mélange de COV (évaluation de l’effet cocktail) représentatifs de l’air intérieur sur la santé respiratoire en utilisant des méthodes in vitro, alternatives à l’expérimentation animale, basées sur des modèles d’épithéliums humains reconstruits. L’originalité de ce travail repose sur la mise en œuvre d’un dispositif expérimental qui tend à reproduire des conditions réelles de l’exposition humaine.

https://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/fiche-impacts-1-respal.pdf

Dans ce thème, l’enjeu est de maîtriser la conception de matériaux transparents ou translucides en fonction de la perception sensorielle souhaitée. Cela concerne de nombreux domaines d’application comme la conception d’écrans (TV, etc.), ou encore de flaconnages dans le domaine cosmétique. Dans un projet financé par le Carnot MINES dans le cadre du soutien à la filière Mode et Luxe, des nanocomposites chargés selon 3 différents taux ont été préparés par l’équipe PCH, partenaire du projet. Les polymères ont également été déstructurés en surface par abrasion ou sablage afin de perturber la transmission de la lumière par diffusion de surface. Ces éprouvettes ont été caractérisées instrumentalement (spectrogoniométrie (Figure 2), rugosimétrie confocale et spectrocolorimétrie) et sensoriellement (grâce à un panel humain) par un classement selon la transparence perçue. Le projet a permis, grâce à des méthodes de statistiques multivariées, de déterminer quel jeu de données instrumentales permettait le mieux de rendre compte du classement perçu. L’adaptation de modèles physiques ou psycho-physiques prenant en compte les modalités de perception du phénomène a également été étudiée pour prédire la transparence/translucidité des polymères à partir des connaissances physico-chimiques du matériau.

Matériau à propriété maîtrisée : Transparence et translucidité des polymères (thème 3)
Figure 2. Mesure de la transmission de la lumière par spectrogoniométrie.

Dans ce thème, le pôle RIME s’intéresse particulièrement à l’évaluation des impacts environnementaux des éco-matériaux polymères (biosourcés ou recyclés) par la méthode d’analyse de cycle de vie (ACV).

Dans le cadre du projet Interreg POCTEFA (http://foodyplast.eu/fr/), les impacts environnementaux d’un emballage plastique agroalimentaire réutilisable, recyclable et contenant des additifs naturels ont été évalués. Après avoir défini les objectifs et le champ de l’étude ACV, les données permettant la modélisation d’un emballage de jambon de Bayonne, en partie réutilisable, ont été collectés auprès des différents partenaires du projet (formulation matériaux, mise en forme, fin de vie). Ainsi le cycle de vie a pu être modélisé sur le logiciel Gabi TS, les données manquantes provenant de la base de données Ecoinvent ou Thinkstep. La méthode hybride Recipe a été utilisée pour calculer les impacts environnementaux et trois scénarios ont été comparés : un emballage à usage unique, un emballage en partie réutilisable et incinéré en fin de vie et un emballage en partie réutilisable recyclé en fin de vie. L’ACV a tout d’abord permis d’identifier la répartition des impacts environnementaux entre les différentes étapes du cycle de vie pour chacun des scénarios étudiés. Contrairement à l’emballage de référence à usage unique, l’étape de mise en forme de l’emballage ou d’incinération sont souvent les étapes les plus impactantes. Chaque impact environnemental étudié a ensuite été comparé avec la solution de référence, l’ACV a permis ainsi de démontrer l’intérêt environnemental d’une solution réutilisable, avec une réduction des impacts d’au moins 80% comparée à un emballage à usage unique.

Impact environnemental des écomatériaux plastiques (thème 4)
a) Répartition des impacts environnementaux durant le cycle de vie pour l’emballage réutilisable et incinéré ; b) comparaison des impacts de deux scénarios étudiés : jetable et réutilisable/incinéré (pack_Foody -projet Interreg)

Dans un autre projet (H2020 POLYBIOSKIN -http://polybioskin.eu/), les impacts environnementaux de produits sanitaires et cosmétiques (couche, pansement, masque de beauté) sont évalués par ACV Ces produits contiennent des taux important de polymères biosourcés, une biodégradation en fin de vie est également envisagée. 

L’ACV est également actuellement utilisée pour évaluer le gain environnemental de renforts biosourcés issus d’agroforesterie dans des composites à matrice polymère, comparé à des renforts pétrosourcés (projet ADEME AGROBRANCHE - https://recherche.agroof.net/fichesR&D/agrobranche.html).

Ce LABCOM, signé en janvier 2020, s’appuie sur une collaboration scientifique de 5 ans entre M2i et l’équipe RIME et s’organise autour d’un programme de recherche et de développement sur 3 ans.

M2i est leader dans le domaine des phéromones pour la protection biologique des plantes et des cultures, comme alternative aux pesticides. Une phéromone est une substance naturellement secrétée et émise en quantité infime par une espèce et qui, reçue par un individu de cette espèce, provoque un comportement ou une réaction spécifique. Elle constitue un signal agissant comme un messager entre les individus d’une même espèce. Ces substances non nocives sont reproduites en laboratoire par biomimétisme, et permettent ainsi de lutter contre les insectes ravageurs en les attirant, les perturbant ou les repoussant.

Les solutions de lutte développées par M2i consistent donc en l’application sur le terrain de formulations à base de phéromones d’insectes qui vont diffuser dans le compartiment air. La maîtrise de l’émission dans le temps et dans l’espace de ces composés gouverne donc l’efficacité du produit fini.

L’équipe RIME possède des compétences en matière de développement de méthodes d’échantillonnage et d’analyse de composés organiques volatils (COV) et semi-volatils (COSV) en traces dans l’air et à l’interface matériau/air. Les méthodologies développées permettent de caractériser les échanges de ces composés entre matériaux et air (émission, diffusion, …) et d’étudier leur évolution spatio-temporelle.

Ainsi, une synergie de compétences et d’objectifs existe entre les deux partenaires qui ont souhaité structurer un partenariat fort sur le long terme. L’objectif global de So’PhAir est de mieux comprendre les mécanismes de diffusion des phéromones, élément clé dans le développement de solutions de biocontrôle. En effet, la conception des produits finis et les protocoles d’introduction des formulations de phéromones pourraient être optimisés si les distances de diffusion des phéromones, les quantités transférées dans le compartiment air et leur évolution dans le temps sont des paramètres maitrisés. L’enjeu de So Ph’Air est d’apporter des solutions à ces verrous scientifiques et techniques.

lancement du Labcom -17/01/20
Lancement du Labcom -17/01/20

Thèses

Ci-dessous la liste des thèses soutenues en 2019 par des doctorants placés sous l’encadrement d’un enseignant-chercheur d’IMT Mines Alès dans l’unité de recherche IPREM (Institut de physico-chimie pour l’environnement et les matériaux) :

  • Dre Tamara BRAISH, développement d’une méthode de caractérisation des émissions de composés organiques volatils par les produits de construction et de consommation courante ; encadrement de thèse : Valérie DESAUZIERS ; soutenue le 19 décembre. Accéder à la thèse : https://www.theses.fr/2019PAUU3039
  • REYROLLE, Marine. Empreintes volatiles de produits agroalimentaires. Encadrement de thèse : DESAUZIERS Valérie, Mickaël Le Béchec
  • Doctorant en recrutement. Développement de méthodes d'échantillonnage et d'analyse de phéromones dans l'air en vue d'améliorer l'efficacité des solutions de biocontrole. Encadrement de thèse : DESAUZIERS Valérie, Hervé Plaisance

Partenariats

L’IMT Mines Alès est présent à Pau (Nouvelle Aquitaine) depuis le début des années 1990 et a développé des relations fortes et durables avec l’écosystème de recherche local et régional, ainsi qu’avec le tissu industriel, principalement sud-aquitain. Le site de Pau de l’IMT Mines Alès est actuellement constitué de l’équipe RIME.

Les principales collaborations académiques se sont développées avec l’Université de Pau et des Pays de l’Adour (UPPA) et en particulier avec l’UMR 5254 CNRS IPREM, à laquelle vient de s’associer l’IMT Mines Alès.

Dans le domaine du bâtiment durable et de la qualité de l’air intérieur, l’équipe RIME a développé une collaboration pérenne avec l’Institut pour la Transition Energétique (ITE) Nobatek/INEF4 dont le siège est à Anglet (64). L’équipe a participé à la gouvernance de l’ITE et à la définition de ses orientation de recherche jusqu’en 2017. Plusieurs projets de recherche ont été et sont toujours menés en partenariat.

L’équipe RIME participe aussi activement au développement économique local avec la mise en place d’un partenariat structurant avec l’entreprise M2i (M2i Development, basée à Lacq), leader dans le domaine des phéromones pour la protection biologique des cultures : un laboratoire commun vient d’être créé.

En soutien à la filière agro-alimentaire régionale, une thèse, co-dirigée avec l’IPREM et co-financée par la Région NA, étudie la possibilité de qualifier un procédé ou l’évolution d’un produit par empreinte volatile.

Le transfert de technologie et la valorisation de la recherche représentent une activité très significative de l’équipe. Une majorité de la recherche fait l’objet de contrats directs avec les entreprises avec une forte proportion de CIFRE qui représentent 60% des thèses soutenues au cours des 5 dernières années. Sur cette période, ces activités ont conduit à 5 brevets, licences et déclarations d’invention, et à un accord de valorisation commerciale d’un produit de la recherche.

Principaux partenaires industriels : M2i, Nobatek/INEF4, RENAULT, FCBA, CSTB, ARD, CRISTAL UNION, ETHERA, ORRION CHEMICALS.

En savoir plus sur la recherche partenariale à IMT Mines Alès

 

Principaux partenaires académiques : Université de Pau et des Pays de l’Adour (IPREM UMR 5254 CNRS, LaTEP), EHESP (IRSET UMR 1085 INSERM), Université de Paris (INSERM UMR 1153-CRESS), Université de Limoges (GEMH), Université de Perpignan Via Domitia (BAE), Mines ParisTech (CEMEF, CMM), Mines Saint-Etienne (SMS).

Les collaborations internationales sont principalement liées aux projets de recherche européens INTERREG et H2020 dont l’équipe est partenaire : Université de Saragosse, Université de Westminster, Université de Gand. L’équipe accueille aussi très régulièrement des étudiants de l’Université du Liban.

En savoir plus sur l’action internationale à IMT Mines Alès

Contact

Valérie Desauziers

Responsable d'équipe de recherche

05 59 30 99 92/ 07 79 88 12 31 valerie.desauziers@mines-ales.fr
RIME label - ODD9 Industrie innovation
RIME label - ODD12 Production responsable