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Les fibres cellulosiques à usage textile
		Anne MICHUD et Blandine GIUSTINI Élèves ingénieurs 2e Année  Mai 2009 Mise en ligne - Mars 2010 Avertissement Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité. À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations et tous les acteurs concernés.		Plan   I - Introduction II - Deux procédés fondés sur la dissolution de la cellulose III - Étude de marché et analyse concurrentielle IV - Perspectives V - Conclusion VI - Bibliographie - Webographie
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I - Introduction

	Figure 1 - Tissu lyocell [Plurielles.fr]

Aujourd'hui, les fibres textiles sont incontournables, majoritairement dans le secteur de l'habillement, bien qu'il existe également d'autres applications telles que les non-tissés.

Les matières premières les plus fréquemment utilisées pour fabriquer les textiles sont les fibres de coton, les fibres synthétiques (nylon, acrylique, polyester) et les fibres artificielles (viscose) : elles ont toutes des propriétés spécifiques et les procédés d’obtention sont variés.

La demande de fibres textiles à base de cellulose est en croissance constante pour trois raisons : une exigence plus prononcée concernant la qualité des vêtements, la nécessité de répondre aux besoins d’une population en augmentation et l’intérêt pour les propriétés spécifiques, notamment hygroscopiques et hygiéniques, des fibres à base de bois.

La cellulose est un polymère naturel abondant, linéaire et non fusible au-dessous de sa température de dégradation. Elle peut être mise en forme par des procédés plus ou moins complexes et polluants. Aujourd'hui, la plupart des fibres, des films et des objets 3D sont produits par le procédé viscose très polluant.

La tendance 'verte' ambiante favorise le développement d'un procédé qui concurrence la viscose : le procédé lyocell permettant d'obtenir des fibres 100% cellulosiques. Techniquement intéressant, il séduit les consommateurs par son caractère écologique en recourant à des matières premières abondantes et renouvelables issues de la biomasse. Sur le marché des fibres textiles [Figure 1], ce procédé tend à remplacer progressivement celui de la viscose.

II - Deux procédés fondés sur la dissolution de la cellulose

II-1 - Procédé viscose

La viscose est un procédé permettant d'obtenir de fibres textiles à base de matière première végétale régénérée artificiellement à partir de la cellulose.

	Figure 2 - Hilaire de Chardonnet

Ce matériau a été inventé par le Comte Hilaire de Chardonnet, ingénieur scientifique et industriel de Besançon [Figure 2]. C'est en 1884, dans le nord de l'Isère, à Vernay de Charette, qu'il réalise artificiellement le premier fil textile au monde imitant le fil de soie. Sa fabrication a été brevetée en 1892 par les chimistes britanniques C.F. Cross, E.J. Bevan et C. Beadle.
Appelée soie artificielle puis rayonne en 1924, la viscose a été créée afin de répondre à une demande de tissus semblable à la soie mais plus économique. Elle a connu un essor important jusqu’en 1950. Par la suite, le procédé à été concurrencé par la fabrication de fibres synthétiques à partir de produits pétroliers. La première fibre synthétique a été fabriquée en 1938.

Pour une production industrielle, la biomasse est un gisement de matières premières intéressant compte tenu de sa profusion et de son caractère renouvelable. La cellulose est en effet le polymère le plus présent sur la planète, aisément accessible à partir de tous types de végétaux. En revanche, elle est insoluble à l’état naturel et, par conséquent, difficile à mettre en forme.

Le principe du procédé viscose repose sur la dissolution de la cellulose grâce à la modification de ses groupements hydroxyles par le disulfure de carbone (CS₂), puis sur sa précipitation en présence d’acide sulfurique (H₂SO₄) dans le but d’obtenir des fils.

Les différentes étapes du procédé :

• La cellulose est hydrolysée en présence d’hydroxyde de sodium (NaOH) afin de gonfler la cellulose et d'écarter les fibres.
• La deuxième étape correspond à une action de pressage puis de déchiquetage.
• La cellulose est ensuite dépolymérisée en présence d’un catalyseur pour obtenir un degré de polymérisation (DP) de 250-350 (son DP initial est de 10 000).
• La cellulose étant insoluble dans l’eau, il faut lui greffer du disulfure de carbone (CS₂) afin de la rendre soluble. Il s’agit d’une molécule de taille importante qui provoque un écartement des chaînes. De plus, sa charge négative donne un caractère hydrophile à la cellulose. Il en résulte du xanthate de cellulose.
• Une étape de filtration permet de retirer les impuretés particules de gel) de la solution .
• Le filage des fils de viscose peut enfin être fait à travers une plaque perforée dans un bain d’acide sulfurique (H₂SO₄) : des filaments continus sont obtenus. L’acide élimine les parties greffées, la cellulose n’est donc plus soluble et est régénérée sous forme de fils. Ce fil est constitué de chaînes cellulosiques toutes orientées dans le même sens ce qui lui confère une moins bonne résistance que les fibres. On parle de rayonne pour les fils continus et de fibranne pour les fibres discontinues.

Le procédé viscose utilise le disulfure de carbone (CS₂), un produit chimique toxique, inflammable et polluant. Il faut alors rester prudent quant à l’appellation "bio" des textiles ainsi obtenus. En effet, même si la matière première utilisée, la cellulose, est naturelle, le procédé l’a transformée. On parle de cellulose régénérée qui permet d'obtenir des fibres artificielles.

Inconvénients : cette technique génère une pollution soufrée car le disulfure de carbone n’est pas récupérable après son utilisation pour dissoudre la cellulose. De plus, les fibres obtenues sont plus petites que les fibres de coton.

Les avantages par rapport aux autres fibres existantes sont notables : la cellulose est disponible en plus grande quantité que le coton par exemple, et les fibres artificielles sont moins chères que les fibres de coton.

II-2 - Procédé lyocell

	Figure 3 - Fibres Tencel® [Lenzing-Tencel®]

Les inconvénients du procédé viscose ont suscité la mise au point d'un procédé alternatif de fabrication de fibres à base de cellulose pour un usage textile : le procédé lyocell fournissant des fibres 100% cellulosiques [Figure 3]. Les fibres lyocell ont des propriétés de biodégradabilité et sont fabriquées dans le respect de l’environnement, tout en conservant les avantages des fibres de viscose.

A partir du procédé viscose, des essais ont été réalisés afin d’inventer des solvants permettant de dissoudre directement la cellulose. Parmi eux, le N-Methylmorpholine-N-Oxide (NMMO) s'est avéré être la meilleure solution technique. Non toxique et recyclable, le NMMO a un faible impact sur l'environnement.

La production de fibres lyocell s’effectue en circuit quasi-fermé [Figure 4]. Les fibres sont fabriquées à partir d’un mélange de pulpe de bois dissout dans le solvant NMMO à haute température. La solution visqueuse obtenue est filtrée et extrudée par des filières dans un bain de filage aqueux. La cellulose précipite et émerge sous forme de fibres. Ces dernières sont lavées, séchées et enroulées. Le solvant est récupéré dans le bac de rinçage. L’eau est recyclée par distillation (évaporation) des bains de filage et de rinçage. Le solvant est récupéré à plus de 97%. Les très faibles émissions résiduelles sont décomposées dans des installations de purification adaptées. La récupération quasi-complète du solvant représente donc un avantage majeur tant environnemental qu’économique.

Certains inconvénients sont identifiés : la récupération non totale du solvant qui est onéreux, la mise en œuvre assez difficile du NMMO et la nécessité de chauffer (fusion à 90-100°C). Les légères pertes sont liées à la dissolution d’une partie du solvant dans l’eau et donc à son évaporation, mais également à la dégradation du solvant aux alentours de 2%, qu’il faut alors ré-oxyder avec du peroxyde d’hydrogène.

	Figure 4 - Cycle de fabrication des fibres lyocell [Woodward A. How products are made - volume 5 : lyocell]

La résistance mécanique des fibres lyocell est similaire à celle des polyesters et plus élevée que celle des fibres de coton et autres fibres tissées à la main.

Un procédé, appelé Cocel process, présente des caractéristiques semblables au procédé lyocell. Le principe est la dissolution d’une poudre fine de cellulose dans le solvant NMMO fondue pendant 5 minutes avec des étapes de collage qui induisent une décomposition moindre de la cellulose. Un pré-traitement alcalin est appliqué lors du processus de fabrication afin d’améliorer le brillant, l’aspect, l’affinité avec les colorants et la stabilité dimensionnelle des fibres cellulosiques. Ces changements peuvent être observés après la neutralisation et le séchage des fibres.

Le gonflement affaiblit la cristallinité par la rupture et le réarrangement des liaisons hydrogènes. Toutefois, après rinçage et séchage, la cristallinité est meilleure qu’avant. En effet, il a été prouvé que pour une concentration de soude s’élevant au-delà de 2,5M, il y a un gonflement interfibrilles dans le cas des fibres lyocell. Le WRV des fibres traitées augmente ainsi que leur perte de poids. En revanche, le nombre de groupements carboxyle diminue ainsi que la force de traction et la déformation à la rupture.

La structure de la chaîne de cellulose est composée de zones cristallines et amorphes. Les domaines cristallins sont continus et dispersés le long de l’axe de la fibre. Cela confère aux produits finis une bonne résistance à l’état humide et d’excellentes propriétés à l’état sec. Cela permet aux fibres lyocell d’être lavables à l’eau. De plus, lorsqu’elles sont mouillées à l’eau puis séchées, elles rétrécissent moins que les autres fibres cellulosiques telles que le coton ou la viscose.

La comparaison des fibres lyocell et des fibres de viscose dans plusieurs laboratoires a conduit au constat suivant : les fibres issues du procédé lyocell sont

• plus résistantes que toutes les autres fibres cellulosiques, particulièrement à l’état humide ;
• faciles à obtenir sous forme de fils et tissus ;
• faciles à mélanger ;
• faciles à filer très finement ;
• stables au lavage et au séchage ;
• stables thermiquement ;
• faciles à colorer avec des couleurs profondes ;
• aptes à subir des finitions techniques ;
• confortables à porter.

Le procédé lyocell est en plein développement. C’est une innovation par rapport aux fibres de viscose car les chaînes de cellulose ne sont pas modifiées mais uniquement solubilisées dans le solvant NMMO avant d’être régénérées dans l’eau. Le NMMO est le meilleur solvant (oxyde aminé) pour cet usage : il permet d'obtenir une solution de cellulose plus concentrée en contrôlant la quantité d’eau du système et finalement en étant recyclé. Le point fort de ce procédé dans le domaine des fibres textiles est son aspect écologique. En effet, la matière première est directement issue de la biomasse végétale (bambou, eucalyptus,…), ressource renouvelable à présent gérée durablement dans de nombreuses régions du monde. Le second avantage est la récupération presque totale du solvant ce qui limite la consommation de réactifs.

II-3 - Comparaison des propriétés des fibres textiles

Comparons les propriétés des fibres lyocell avec celles des fibres déjà ancrées sur le marché : fibres synthétiques (acryliques, polyester, polyamide,...), coton et fibres artificielles (cellulose régénérée) [Tableau 1].

Tableau 1 - Comparaison des propriétés des différentes fibres textiles

III - Étude de marché et analyse concurrentielle

III-1 - Peu d'acteurs et plusieurs marques sur le marché du lyocell

La première entreprise ayant commercialisé un procédé alternatif au procédé viscose, appelé Newcell, est American Enka dans les années 70.

À la fin des années 1990, les fabricants de fibres lyocell étaient Acordis – société créée par Akzo Nobel à la suite de l'acquisition en 1998 de Courtaulds, acteur historique de la filière, puis cédée à CVC Capital Partners – et Lenzing [Figure 5].

	Figure 5 - Différents types de fibres lyocell [Reguant J., Rinaudo M. Étude bibliographique sur les matériaux issus de la biomasse végétale]

Aujourd'hui, l'autrichien Lenzing est le leader dans la production de fibres lyocell. Il propose plusieurs produits dotés de propriétés différentes :

• Tencel^® : forte capacité d'absorption due à la présence de nanofribrilles donnant un caractère hydrophile aux textiles. Ce tissu absorbe 50% d’humidité en plus que le coton. Les fibres synthétiques quant à elles ne peuvent pas absorber de liquide.
  Très doux, il évite les irritations et permet un contrôle de la température.
  De plus, il limite la croissance des bactéries en absorbant l’humidité sur la peau.
• Modal^® : tissu très doux qui garde une brillance après lavage.
  Bonne absorption rapide.
  Ses caractéristiques sont meilleures que celles du coton.
• Lenzing FR^® : fibres fabriquées à partir de fibres de viscose. FR signifie flame resistance (résistance au feu). Les tissus fabriqués avec ces fibres protègent de la chaleur et des flammes.

III-2 - Domination des fibres artificielles et synthétiques sur le marché des fibres textiles

Les fibres synthétiques sont issues de dérivés du pétrole (polyester, polyamide,...) et les fibres artificielles sont les fibres de viscose. Elles représentent 60 % des fibres utilisées dans le textile [Figure 6].

	Figure 6 - Production mondiale de fibres artificielles et synthétiques [Sessi. Le textile en chiffres - édition 2007]

Le marché des fibres artificielles et synthétiques s’élève à 950 millions d’euros pour 625 millions d’euros de produits fabriqués en France.

Le tableau ci-dessous résume la production en milliers de tonnes de fibres artificielles et synthétiques au niveau mondial, européen et français pour les entreprises de 20 salariés et plus [Tableau 2]. L’Europe représente environ 14% de la production mondiale et la France moins de 1%. L’Allemagne est le premier producteur et fournisseur européen de ces fibres.

	Tableau 2 - Production de fibres artificielles et synthétiques [Sessi. Panorama de l'industrie en France : fibres artificielles et synthétiques - édition 2008]

Parmi les fabricants de fibres de viscose figurent, entre autres, Lenzing ou encore Enka. En 2006, la production de viscose a augmenté de 10% pour atteindre 2700 milliers de tonnes. La Chine est un grand consommateur avec 1500 milliers de tonnes en 2006 alors que l’Indonésie et le Pakistan ont une consommation de 300 à 350 milliers de tonnes par an.

III-3 - Le coton cède le pas aux fibres synthétiques

Le coton est la fibre naturelle dominante dans le secteur du textile. Aujourd’hui, les quatre principaux pays producteurs de coton sont la Chine, le Pakistan, l’Inde et les États-Unis. Ils fabriquent les trois quarts de la production mondiale.

Cependant, d’un point de vue global, la part du coton dans le textile a diminué au fil des années. En 1960, elle s'élevait à 68,3% contre 21,8% pour les textiles dérivés alors qu'en 2002, la tendance s'est inversée : 39,7% contre 57,7%.

Actuellement, la production de coton stagne. Le tableau ci-dessous détaille l'évolution du marché du coton dans le monde via les exportations et les importations des années 70 jusqu’au début des années 2000 [Tableau 3].

	Tableau 3 - Marché du coton dans le monde (en milliers de tonnes) [Baffes J. Le marché mondial du coton : structure, évolutions récentes et perspectives. Perspectives cotonnières, juin 2000]

III-4 - Localisation de l'industrie textile dans les pays à faible coût de main d'œuvre

Aujourd’hui, le marché européen du textile décline. Sur le plan mondial, c'est la Chine qui est en tête de la liste des pays exportateurs. La concurrence internationale et la délocalisation en faveur des pays à bas salaires (Inde, Chine) pousse les Européens à recentrer leur production sur les textiles techniques à haute valeur ajoutée.

Troisième acteur du secteur après l’Italie et l’Allemagne, la France voit son effectif industriel diminuer face à la concurrence étrangère [Tableau 4]. Elle importe plus qu'elle n'exporte de produits textiles.

	Tableau 4 - Place de la France dans l'industrie textile européenne [Sessi. Le textile en chiffres - édition 2007]

III-5 - Analyse concurrentielle

Les cinq forces de Porter qui commandent la concurrence dans le secteur des fibres à usage textile sont représentées dans le diagramme ci-dessous [Figure 7]. Au centre figurent le nouvel entrant, les fibres lyocell, et les concurrents déjà existants : fibres artificielles, fibres synthétiques et fibres de coton.

Les fournisseurs, les clients, et les éventuels substituts sont également mentionnés. Dans ce cas, il n’y a aucun substitut à l’utilisation de fibres pour l’industrie textile qui puisse menacer le secteur actuel ou l’entrant.

Clients et fournisseurs ont tous des pouvoirs de négociation à ne pas négliger. Le procédé viscose se trouve alors en proie à certaines menaces : de la part des nouveaux venus (entrants potentiels), des clients et fournisseurs, et de la rivalité déjà existante entre les concurrents. Dans cette étude, l’impact de la règlementation et du gouvernement sur le procédé lyocell n'a pas été traité.

	Figure 7 - Analyse concurrentielle du marché des fibres cellulosiques à usage textile par le diagramme de Porter

IV - Perspectives

IV-1 - Marché du textile : un marché en plein bouleversement

Le marché du textile est bouleversé. Alors que depuis quelques années les fibres artificielles et synthétiques ont pris le dessus sur les fibres de coton, il semble qu’aujourd’hui ce soit les fibres lyocell qui présentent le meilleur avenir [Tableau 5].

Tableau 5 - Évolution du marché des différentes fibres

IV-2 - Diagnostic stratégique (Matrice SWOT)

Tableau 6 - Analyse stratégique via la matrice SWOT du marché
des fibres cellulosiques à usage textile

IV-3 - Scénarios et analyse des risques

Des facteurs clés de développement ont été identifiés :

• La tendance environnementale actuelle.
• La disponibilité de la matière première (cellulose).
• Le coût de la production, la NMMO étant un solvant onéreux.
• Le prix de vente des produits finis.

À partir de ces facteurs, trois scénarios élaborés à partir d’hypothèses sont proposés. Ils répondent aux critères suivants : pertinence, cohérence, vraisemblance, importance et transparence. Ils représentent une évolution tendancielle ou réaliste (scénario 1), une pessimiste (scénario 2) et une optimiste (scénario 3).

IV-3-1 - Scénario 1 - Développement des fibres lyocell sans disparition de la viscose (échéance : 5 ans)

La situation environnementale préoccupe de plus en plus l'opinion et les gouvernements. Afin d’améliorer la situation, des gestes écologiques sont préconisés au quotidien dans les foyers, les lieux professionnels,... Les industriels se sentent également concernés et cherchent des solutions afin de diminuer l’impact de leurs procédés de production sur l’environnement.

La viscose est encore très présente sur le marché du textile. Toutefois, l’emploi du disulfure de carbone dans ce procédé est source de pollution. Des industriels ont mis au point le procédé lyocell basé sur l'utilisation d'un solvant, NMMO, non toxique et recyclable. Les fibres fabriquées à partir de ce procédé en expansion servent à fabriquer une large gamme de produits. Lenzing, société autrichienne, est le leader de ce nouveau marché. Le caractère écologique de ces fibres lyocell explique leur succès. Il est possible que ces fibres progressent sur le marché des textiles au détriment des fibres de viscose. Cela conduirait à l’abandon de certaines installations du procédé viscose, les deux procédés n’étant pas tout à fait identiques.

Risque : coût de transformation des installations nécessaires pour passer du procédé viscose au procédé lyocell.

Probabilité de réalisation : 90%.

IV-3-2 - Scénario 2 - Absence de développement voire disparition des fibres lyocell (échéance : 5 ans)

Malgré l’intérêt des industriels pour les fibres lyocell apparues sur le marché, elles ne font pas l’unanimité. La raison ? Le solvant (NMMO) utilisé pour obtenir ces fibres est cher : le prix des fibres et, par conséquent, celui des produits finis en sont significativement influencés. Les industriels ne parvenant pas à baisser leurs coûts de production, le procédé lyocell demeure marginal par rapport à la viscose auquel il ne se substitue pas sur le marché des fibres textiles. De plus, d’autres techniques plus intéressantes apparaissent, provoquant la disparition de ce procédé.

Risques :

• Prix trop élevé.
• Pression environnementale : préservation des ressources lignocellulosiques.
• Découverte d’une technologie mieux adaptée.

Probabilité de réalisation : 20%.

IV-3-3 - Scénario 3 - Disparition de toutes les fibres textiles au profit des fibres lyocell (échéance : 10 ans)

Les fibres lyocell progressent si fortement sur le marché des fibres textiles qu'elles finissent par remplacer les autres fibres : les fibres artificielles (viscose) fabriquées via un procédé polluant et les fibres synthétiques issues de dérivés du pétrole dont l'exploitation diminue de plus en plus. En outre, un solvant moins cher et plus simple d’utilisation remplace le NMMO, supprimant alors tout frein au développement du procédé lyocell qui s'impose dans les domaines du textile et des non-tissés.

Risques :

• Coûts des installations industrielles.
• Perte de diversité des fibres textiles.

Probabilité de réalisation : 40%.

V - Conclusion

Ces dernières années, la biomasse intéresse beaucoup les industriels tant pour ses qualités environnementales – caractère renouvelable ou encore biodégradabilité des matériaux – que pour l'image vertueuse qu'elle leur donne auprès des consommateurs de plus en plus sensibilisés à l'impact des produits qu'ils achètent sur la nature.

Le procédé lyocell vient désormais talonner de près le procédé viscose. Il permet lui aussi d'obtenir des fibres textiles à partir de la cellulose dissoute mais, à la différence de ce dernier, en employant un solvant non polluant et réutilisable. Les fibres lyocell dotent les tissus de qualités très appréciées des consommateurs : douceur, résistance au lavage à l’eau, coloration aisée,... Elles permettraient de remplacer en grande partie les fibres synthétiques issues de la pétrochimie.

Un bel avenir semble promis à ce procédé, probablement au détriment de la viscose.

VI - Bibliographie - Webographie

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Mise en page : A. Pandolfi