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janvier 2017

L’aluminium et l’emballage : historique et prospective

 

Directeur associé Winnotek
Membre du Comité de Rédaction de la Revue


L’alimentarité de l’aluminium

Dès la fin du XIXe siècle, soit quelques année après la décou­verte simultanée en Europe (Héroult) et aux USA (Hall) de son procédé de fabrication par électrolyse de l’alumine, l’alumi-nium a été reconnu comme un matériau particulièrement pertinent pour l’emballage alimentaire, donc une alternative viable au fer blanc puis à l’acier, et ceci grâce à plusieurs de ses qualités intrinsèques :

  • Il ne rouille pas, son oxydation produit en surface une couche d’alumine, matériau thermiquement réfractaire donc isolant. De ce fait, sa compatibilité avec les produits alimentaires frais est excellente.
  • Sa densité (2,7) est à peine plus du tiers de celle de l’acier (7,9) donc il procure, à géométrie et volume donné, un allègement très important du contenant au bénéfice du contenu et une meilleure aptitude au transport à longue distance.
  • Il est bon conducteur de la chaleur et possède une conduc­tibilité électrique élevée.
  • Il offre des combinaisons chimiques très stables avec d’autres composés (Si et O en particulier).
  • Son aptitude au recyclage est historiquement antérieure à celle des ferrailles, ce qui procure à son cycle de vie une valeur économique permettant de compenser, au moins en partie, son surcoût de production par rapport à l’acier (surcoût provenant en priorité de la quantité d’énergie électrique nécessaire à sa production).
  • Il se prête à une grande diversité de procédés de mise en forme : extrusion, laminage en feuille très mince, filage par choc, étirage, emboutissage.
  • Il est également apte au colaminage avec des couches de papier, de carton ou de polymères, donnant naissance à des emballages composites aux propriétés remarquables en termes d’isolation thermique et biologique et d’imper-méabilité aux rayons UV (Source : institut Polytechnique de Grenoble, 05/2008).

Adopté en premier lieu dans l’emballage alimentaire (les boites de conserve) l’aluminium s’est progressivement diffu­sé à l’emballage des boissons puis à celui des produits cosmétiques. Il est ensuite apparu dans l’emballage pharmaceu­tique, en particulier sous forme de plaquettes ou « blisters » proposant des comprimés

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Figure n°1 : Boites en aluminium recyclé



pour voie orale. Parallèlement, ses capacités de coloration de surface par anodisation (électroly­se de surface dans un bain de sels colorés permettant de déposer la coloration dans la couche d’alumine qui se forme sur une feuille de métal non traitée) en ont fait un matériau de choix pour les bouchons décoratifs en parfumerie comme pour les feuilles d’operculage (surbouchage) des bouteilles de vin.

On distingue à ce jour au moins huit segments techniques d’utilisation de l’aluminium en emballage :

  • Boîtage alimentaire.
  • Boîtage boisson.
  • Feuille mince alimentaire et barquettes de cuisson.
  • Contenants pharmaceutiques et cosmétiques (aérosols, pulvérisateurs, flacons de parfum).
  • Bouchage et surbouchage.
  • Blisters pharmaceutiques à base de feuille mince.
  • Composites pour emballage de produits frais périssables, en particulier liquides (lait, jus de fruits, etc.).
  • Ustensiles de cuisine.

Les alliages d’aluminium utilisés concernent essentiellement les alliages AlMn (série « 3000 » dans la classification interna­tionale) et AlMg (série « 5000 »). Les limites de composition des alliages fixées par les normes françaises sont les sui­vantes :

Si < 13,5%, Mg < 11%, Mn < 4%, Ni < 3%, Fe < 2%, Cu < 0,6%, Sb < 0,4%, Cr < 0,35% , Ti < 0,3%, etc. (Source : DGccRF).

Nous évoquons ici à grands traits les technologies employées et les marchés correspondants.

La clé du modèle économique : l’aptitude à être recyclé

L’aptitude au recyclage de l’aluminium (capacité à fabriquer de l’aluminium à partir de déchets d’aluminium triés, purifiés et refondus) est un facteur clé de sa compétitivité face à l’acier dont le coût de fabrication est très inférieur. La valori­sation des déchets d’aluminium récupérés améliore en effet drastiquement le bilan économique du choix de l’aluminium pour des emballages, alimentaires ou non, où il ne s’impose pas par ses seules caractéristiques de légèreté et de faible corrosion.

Toutefois, historiquement, la valorisation des déchets d’alu-minium était limitée à des cas d‘emploi où les caractéris­tiques mécaniques

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Figure n°2 : Mode de sertissage du couvercle à ouverture facile



requises demeuraient limitées : les méthodes de tri et de purification, constituant l’affinage aboutissant à de l’aluminium « de 2e fusion » ne permettaient pas d’éliminer efficacement des impuretés chimiques telles le fer ou le phosphore, ce qui interdisait d’utiliser l’aluminium recyclé dans des pièces de sécurité à fortes contraintes méca­niques ou chimiques comme des tôles aéronautiques, des roues d’automobiles ou des étriers de freins, etc. De même l’aluminium recyclé ne permettait pas de fabriquer des tôles minces pour boîtes boisson ou alimentaires (comportement inacceptable au laminage puis à l’enduction de surface puis à l’emboutissage). Les utilisations de l’aluminium recyclé se limitaient donc à la fonderie automobile de blocs moteurs, à des composants de BTP (tôles de toiture, profilés) ou à d’autres produits finis à faible valeur ajoutée.

En effet les critères de pureté de l’aluminium brut recyclé exi­gibles pour l’emballage alimentaire ne pouvaient, malgré des traitements chimiques complexes du bain de fusion des déchets,(par le sodium ou le strontium par exemple) être res­pectés ; ces critères sont encore aujourd’hui pour l’alumi-nium « vierge » conformes aux standards internationaux : (Fe+Si) < 1%, Ti < 0,15% puis Cr, Zn, Cu, Mn, Mg, Ni, Sn cha­cun < 0,1%... sans préjudice de ce que chacun de ces métaux puisse ultérieurement être combiné à l’aluminium brut pour obtenir des alliages.

Pour chutes de fabrication                          100 %
Pour bâtiment, transport                            > 95 %
Pour ingénierie                                             90 %
Pour emballage (plus difficile à collecter)     50 %

Taux de recyclage par secteur, en pourcentage

En revanche depuis le tour­nant du XXIe siècle les tech­niques d’affinage ont fait un grand bon quantitatif, et il est aujourd’hui possible de fabriquer de la tôle pour boîtage alimentaire ou boisson à partir de boîtes de conserve recy­clées (par contre les pièces aéro­nautiques et les composants automobiles à hautes caractéristiques mécaniques,

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Figure n°3 : Boitiers d’aérosols laqués avant remplissage



forgées ou moulées, demeurent hors limite). Ce chan­gement de paradigme contribue à amortir les importants investissements de réseaux de collecte des emballages alu­minium usagés et à rétablir la compétitivité de l’aluminium face à l’acier dont le taux de recyclage (environ 77% en France aujourd’hui dans l’alimentaire) dépasse toujours celui de l’aluminium (57% environ dans l’alimentaire).

Le boîtage alimentaire

Les alliages utilisés sont essentiellement des AlMn (série « 3000 ») revêtus d’une couche organique sur la face en contact avec l’aliment. Ils sont prévus pour un contact unique mais de longue durée.

Le procédé de fabrication, breveté aux USA en 1974, est un emboutissage- étirage (Draw Wall and Iron ou DWI) appliqué à une rondelle d’alliage ou flan pour obtenir une boîte fer­mée à une extrémité mais ouverte à l’autre. Le bord du métal côté ouvert est généralement irrégulier et exige un usinage de finition ; la qualité du laminage de la tôle originelle influe sur cette anisotropie et donc sur l’importance du défaut à corriger.

Que ce soit pour la boîte alimentaire ou la boîte boisson, la tôle à emboutir est en général laquée en continu à l’issue de son laminage pour représenter la marque et le logo du pro­ducteur (procédé dit « coil coating » ou traitement de surfa­ce sur bobines en continu). Les motifs à imprimer sont dépo­sés en mode anamorphosique c’est-à-dire déformés dans les deux dimensions, afin de se retrouver corrects en trois dimensions après l’opération d’étirage/emboutissage.

Le boîtage boisson

La boîte boisson en aluminium a été introduite aux USA en 1959 par un brasseur de bière pour concurrencer la boîte en fer blanc inventée en 1935. Les couvercles à ouverture facile furent inventés dès 1962, et en 1976 le producteur d’alumi-nium Reynolds (concurrent d’Alcoa, Alcan, Pechiney et Kaiser par exemple) breveta le système de l’anneau d’ouverture (marque « Tir-hopTM) » demeurant solidaire du couvercle après ouverture.

Depuis 1996 environ 80% des boîtes boisson mondiales sont en aluminium ; leur poids unitaire à vide, environ 13g, est un

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Figure n°4 : Capsules de surbouchage du vin



peu plus de la moitié de celui des boîtes acier. Que le corps de boîte soit en acier ou en aluminium le couvercle est tou­jours en alliage d’aluminium et de magnésium (AlMg), dénommé alliage « 5182 » dans la nomenclature mondiale standardisée. Le corps de la boîte aluminium est constitué d’un alliage d’aluminium et de manganèse (AlMn) dénommé « 3004 » et connu sous le nom de « can stock ».

Le corps de boîte est embouti/étiré comme décrit précé­demment pour la boîte alimentaire, puis le rebord supérieur est cintré pour permettre le sertissage et le soudage du cou­vercle. Le corps de boîte est enduit d’un vernis organique à l’intérieur et imprimé à l’extérieur au stade de la bobine issue du laminage, par « coil coating » comme décrit précédem­ment.

Le marché mondial des boîtes boisson dépassait en 2013 les 300 Milliards d’unités (dont 95 Mrds aux USA, 58 Mrds en Europe et 30 Mrds en Amérique Latine).

Le taux de recyclage des canettes (acier et aluminium confondus) atteint 67% mais il est de 96% en Allemagne, record européen clairement dû à la densité des réseaux de recyclage et à des politiques publiques incitatives. Pour ordre de grandeur, 660 canettes d’aluminium recyclées permettent de produire par affinage la quantité d’aluminium entrant dans un vélo (cadre et jantes) et 48 000 canettes permettent de produire la quantité d’aluminium entrant dans une voitu­re de moyenne gamme (Source : Wikipédia).

Attention toutefois : aucun véhicule n’inclut que de l’alumi-nium de recyclage puisque les techniques de purification des déchets recyclés ne permettent pas d’obtenir les caractéris­tiques mécaniques exigées des pièces de sécurité : il est impossible de réaliser en alliage issu de l’affinage un étrier de frein, une roue, un capot (souvent doté de propriétés super­plastiques pour sa mise en forme) ou même une culasse de moteur. Mais un bloc moteur, un carter ou un bas de caisse de carrosserie peut parfaitement être réalisé à partir de métal d’affinage.

Le progrès majeur de la technologie de recyclage au tour­nant du XXIe siècle a été la purification des boîtes boisson recyclées (combustion du magnésium du couvercle, élimina­tion des impuretés

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Figure n°5 : Détail d’un pulvérisateur cosmétique revêtu de feuille mince anodisée



de type fer ou phosphore par traitement chimique du bain de fusion, etc.) pour obtenir des lingots aptes à la fabrication d’alliage 3004 (can stock) et à son lami­nage sans perte de caractéristiques mécaniques par rapport à l’alliage issu d’aluminium de première fusion. Cette clôture du cycle, où la boîte boisson usagée donnera naissance à une boîte boisson neuve, améliore significativement l’équation économique de l’aluminium dans l’emballage alimentaire, le “can stock” en alliage 3004 ayant une valeur marchande supérieure à celle des alliages de fonderie pour blocs moteurs auxquels était voué par le passé l’aluminium recyclé.

Les boîtiers pour aérosols

Les alliages d’aluminium sont largement utilisés dans la fabri­cation des boîtiers d’aérosols, en parfumerie/cosmétique comme en pharmacie. Le boîtier est obtenu en « filant par choc » un flan ou un pion circulaire, percuté par un mandrin vertical qui fait fluer le métal autour du mandrin vers le haut. Le boîtier obtenu est monobloc, il peut ensuite être revêtu intérieurement d’un vernis organique, puis imprimé extérieurement après laquage. Le cas échéant le boîtier peut éga­lement être coloré par anodisation c’est-à-dire par coloration de sa fine (quelques µ) couche d’alumine superficielle (son oxyde Al2O3) par traitement électrolytique dans un bain de sels métalliques colorés. Il suffit alors de rouler et d’usiner le bord supérieur du boîtier, demeuré ouvert comme pour la boîte boisson, pour y sertir ensuite la valve de distribution après remplissage. Dans certains cas le liquide pressurisé peut être injecté dans une poche plastique elle-même intro­duite dans le boîtier.

Les boîtiers aérosols sont 100% recyclables techniquement, comme le sont les boîtes alimentaires ou boisson.

La feuille mince et ses applications

Les propriétés « barrière » de l’aluminium (barrière ther­mique, absence de magnétisation, barrière aux UV, à l’humi-dité et à l’oxydation atmosphérique) se combinent à sa duc­tilité et à sa capacité de laminage jusqu’à de très faibles épaisseurs pour produire un matériau de choix destiné à la conservation domestique de tout produit

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Figure n°6 : composition d’une brique composite pour liquide alimentaire périssable



périssable : la feuille mince d’aluminium ménager.

Cette dernière présente une épaisseur allant de 6 à 200 µ (selon la norme ISO en vigueur) ; elle est parfaitement stérile du fait de la haute température atteinte dans son processus de « recuit » (maturation à chaud en four thermique) après laminage et, même en l’absence de revêtement, ne réagit pas chimiquement avec les aliments. De par son excellente conductivité thermique elle est efficace pour emballer les ali­ments pendant leur cuisson. De par sa ductilité elle est for-mable en plats ou barquettes permettant la conservation ini­tiale puis la cuisson d’un aliment dans un unique condition­nement.

La consommation européenne de feuille d’aluminium est de l’ordre de 120 000 t/an dont 75% en usages domestiques et 25% en usages professionnels (industries agroalimentaires et cosmétiques) (Source : european Aluminium Foil Association).

Au-delà de son utilisation domestique intuitive, la feuille mince est en effet utilisée en operculage des pots de yaourts et desserts, mais aussi en surbouchage de vins et spiritueux. Ses propriétés barrière garantissent en effet l’intégrité de la boisson en évitant toute contamination à travers le bou­chon ; sa ductilité et son aptitude à l’impression, au laquage et à l’anodisation permettent de combiner l’aspect décoratif et la création d’une identité visuelle de la marque avec la maximisation de la durée de vie du produit dans les circuits de distribution puis (dans le cas des vins et spiritueux) chez le consommateur final.

Les mêmes caractéristiques de ductilité et d’aptitude au trai­tement de surface qualifient l’aluminium pour la fabrication des valves et pulvérisateurs sertis sur les boîtiers d’aérosols en cosmétique et en pharmacie. La feuille mince est facile­ment formable sur le pulvérisateur en polymère, et le procé­dé de colorisation par anodisation permet d’obtenir toute une gamme de teintes métallisées ou irisées caractéristiques des emballages de parfu­merie en particulier. L’étanchéité et la stérili­té de la feuille mince garantissent le conte­nu du boîtier contre tout risque de fuite ou de contamination.

Les composites

L’emballage de liquides périssables

L’aluminium se prête fort bien

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Figure n°7 : Machine de remplissage en ligne de briques alimentaires



au colaminage et au collage avec des feuilles de polymères (polyéthylène par exemple) et de papier afin de réaliser des composites semi-rigides mais néanmoins formables. Cette technique est à la base de la fabrication des « briques » de conditionnement de liquides alimentaires à durée de vie limitée, tels le lait, les jus de fruit frais et les soupes. Le composite constitue en effet une bar­rière efficace contre l’air ambiant (risque d’oxydation) et les rayons UV (risque d’altération de la composition chimique du liquide ou de fermentation).

La fabrication du composite puis sa mise en forme et son remplissage en ligne sont assurés par des machines complexes dont la conception fut originellement brevetée par l’entreprise Suédoise TetraPak ™ au point que l’expression « brique TetraPak » devint pour quelque temps un descriptif générique de toute brique conditionnant un liquide alimentaire périssable.

Comme pour les boîtes et canettes en alliage d’aluminium, les briques sont techniquement recyclables. Leur carton étant essentiellement constitué de fibres vierges longues, les briques usagées sont plongées dans des cuves remplies d’eau appelées « pulpeurs » où les fibres de carton sont sépa­rées du polyéthylène et de l’aluminium. Elles sont agglomé­rées en pâte à papier réutilisable pour la fabrication d’embal-lages à faible valeur ajoutée. Les résidus de polyéthylène peuvent être soit recyclés en plastique secondaire soit consommés dans la production énergétique à base de déchets, l’aluminium récupéré étant systématiquement ren­voyé vers l’affinage.

Toutefois les 85 000 tonnes de briques alimentaires consom­mées en France annuellement ne sont encore recyclées qu’à 45% alors que le Grenelle de l’Environnement avait fixé pour 2013 un objectif de 75%. (Source : Actu-Environnement, 09/2013)

Le conditionnement pharmaceutique

Dans le domaine pharmaceutique, la feuille mince d’alumi-nium se combine à un film polymère pour constituer le blis­ter, deuxième format mondial d’emballage pharmaceutique après le flacon (le marché Européen du blister affiche un taux de croissance annuel de 5% environ et les pays émergents adoptent rapidement ce type de conditionnement). La dose de médicament, typiquement un comprimé

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Figure n°8 : Feuille mince aluminium imprimée et blister pharmaceutique résultant



ou une gélule, est emprisonnée entre la feuille d’aluminium (par ailleurs imprimée selon la charte graphique du laboratoire produc­teur) et le film polymère. Ce polymère, historiquement du PVC, est aujourd’hui plutôt du chlorure de polyvinylidène (PVDC), du polyéthylène (PE) ou du polypropylène (PP).

Depuis le début des années 2000 les transformateurs d’Aluminium ont développé des blisters tout métal, l’alumi-nium offrant des propriétés barrières (thermiques et UV, cf. ci-dessus) très supérieures à celles des polymères et se prê­tant bien à l’emboutissage à froid (les médicaments étant sensibles aux chocs thermiques). (Source : Packaging France, 01/2006).

En revanche, depuis quatre à cinq ans, le blister tout alumi­nium doit faire face à la concurrence de films transparents à hautes propriétés barrière et excluant le PVC, ces films ther-moformés étant moins encombrants que les blisters alumi­nium à contenu constant. Le respect des habitudes du mar­ché a toutefois contraint certains fabricants de polymères à développer des films PVC colorés avec des pigments alumi-nisés pour reproduire l’apparence du blister tout aluminium et ne pas choquer le consommateur final... (Source : emballage Digest 07/12).

Les développements technologiques en cours

Les axes de recherche et développement des acteurs de l’emballage sont en partie déterminés par des considérations écologiques aujourd’hui communément admises comme priorités sociétales dans la plupart des pays développés. Il s’agit donc d’optimiser la capacité technique de recyclage des emballages, et par exemple la biodégradabilité des élé­ments non métalliques dans les emballages composites, les alliages d’aluminium étant tous techniquement aptes à l’affi-nage après purification chimique et pyrolytique des déchets collectés. Le problème spécifique à l’aluminium est donc prioritairement celui du développement des infrastructures de collecte et de traitement des déchets métalliques, plus que la survivance de barrières techniques dont les plus importantes sont à présent franchies (fabrication de tôles pour boîte boisson à partir de boîtes usagées).

Les principes directeurs applicables à l’ensemble

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Figure n°9 : Bobines de composite colaminé aluminium/polyuréthane pour conditionnement alimentaire



des embal­lages sont la recherche de l’universalité (multiplicité des cas d’emploi pour un design donné), la quête permanente de l’allègement, et bien sûr la maîtrise des coûts de fabrication (car le consommateur final n’est pas toujours prêt à « payer la juste valeur » de l’emballage) ce qui passe entre autres par de nouveaux choix d’alliages et de composites non métalliques.

De même le souci de limitation de la pollution par les métaux alliés à l’aluminium (Manganèse, Magnésium, voire Silicium ou Nickel) ainsi que la recherche de gains de poids sur les emballages (tous ces métaux alliés étant plus lourds que l’aluminium à l’exception du magnésium) conduisent à recher­cher la faisabilité de solutions à base d’aluminium « vierge », de qualité conforme aux standards internationaux (soit pur à 99,5% avant toute combinaison d’alliage). Il en va de même pour l’élimination progressive du PVC, remplacé par le PE ou le PP, dans le composite sandwich colaminé aluminium/car-ton/polymère comme dans les blisters pharmaceutiques afin de supprimer le recours aux polymères toxiques.

L’optimisation des propriétés barrière afin d’allonger encore la durée de vie des produits emballés, en particulier alimen­taires, est un autre axe de recherche explicite qui conduit donc à l’élaboration de nouveaux composites. Ces derniers font déjà appel aux nanotechnologies afin de déposer sur la surface de l’aluminium en contact avec le contenu à proté­ger, des nano couches rendant l’emballage « intelligent » (il détecte la présence d’éléments étrangers à l’aliment conte­nu, dont la composition chimique est connue) ou « actif » (il ajoute une protection chimique et thermique en plus de ses qualités natives de barrière). Cette même optimisation moti­ve également la R&D dans le segment des couvercles, ferme­tures, operculages, etc., qui doivent impérativement égaler les propriétés barrière du contenant proprement dit. La col­laboration entre les producteurs mondiaux d’aluminium, encore fréquemment intégrés en aval dans la fabrication des emballages, et leurs clients majeurs de l’agroalimentaire et des boissons, souvent plus puissants qu’eux en taille et en pouvoir prescripteur, est depuis longtemps une donnée de base de la R&D de ce secteur. ■

Auteur

Philippe est MBA d’University of Chicago, Booth School of Business.
Après une carrière double, industrielle (Aluminium Pechiney, SAFT, Faurecia, Thomson) et de Conseil (Bain & Cie, CSC Index, Braxton/Deloitte) il est cofondateur en 2009 du cabinet Winnotek spécialisé en valorisation de l’innovation, stratégies de Propriété Intellectuelle et montage de projets R&D collaboratifs. Voir les 14 autres publications de l'auteur

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