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L’irradiation industrielle : traitement des plastiques, radiostérilisation, ionisation des aliments, traitements environnementaux
On utilise, en irradiation industrielle, des générateurs de rayonnements puissants et économiques. Ce sont donc des sources de cobalt 60, émettrices de rayons gamma ; ou des accélérateurs, émettant des faisceaux d’électrons de 0,2 à 10 MeV, ou enfin des rayons X de freinage, très pénétrants.
APPLICATIONS DE L’IRRADIATION DANS L’INDUSTRIE
Voici quelques applications de l’irradiation dans l’industrie :
- a) Les traitements d’amélioration de plastiques
- b) La radiostérilisation et les traitements d’hygiénisation
- c) L’ionisation des aliments
- d) Traitements environnementaux
(a) Les traitements d’amélioration de plastiques
Le procédé
L’irradiation entraîne la formation de radicaux libres au sein des milieux organiques et en particulier des plastiques, sans chauffage et sans introduction d’additifs. Ces radicaux sont des espèces extrêmement réactives, capables d’initier différentes réactions : des polymérisations, des greffages (greffage : polymérisation amorcée à partir d’un polymère "tronc" préexistant, conduisant à un copolymère "greffé"), des réticulations.
Ce dernier type de procédé constitue le succès le plus significatif de l’irradiation industrielle. En établissant des ponts entre les macromolécules du polymère, on rend celui-ci infusible, insoluble, plus résistant au vieillissement et à la contrainte. On fabrique ainsi des fils et câbles électriques améliorés, ainsi que des gaines et films thermorétractables, pour les connections électriques et l’emballage. La radioréticulation est également utilisée pour prévulcaniser le caoutchouc des pneus : l’accroissement de résistance facilite la mise en forme avant vulcanisation définitive.
Une forme très particulière de réticulation se produit quand on irradie la solution d’une résine polyinsaturée dans un monomère. Elle durcit, et c’est le résultat d’un "greffage réticulant" amorcé par les radicaux radioformés.
Les réactions polymérisations, greffages et réticulations radioinduits
- La première étape d’initiation est toujours la coupure d’une liaison d’une molécule organique, donnant naissance à deux radicaux libres ; un radical libre contenant un électron non apparié est une espèce extrêmement réactive.
- Si la liaison rompue rattachait deux segments d’une macromolécule (polymère, ADN, etc.), il y a dégradation : diminution des caractéristiques mécaniques, de la viscosité, etc...
- Les radicaux produits peuvent se combiner à de l’oxygène présent pour donner des peroxydes. Ces derniers sensibilisent un polymère au vieillissement ultérieur (ex : le polypropylène). Par chauffage, ils peuvent initier des greffages.
- Les radicaux produits initient la polymérisation des monomères vinyliques. S’ils ont été formés à partir du monomère, il se produit une polymérisation radioinduite (voisine de celle qu’initierait un peroxyde, mais initiable à froid).
- Si les radicaux sont formés sur une chaîne macromoléculaire existante, ils initient un greffage (formation d’une nouvelle macromolécule "greffée" sur la macromolécule tronc préexistante).
- Les radicaux présents sur deux chaînes macromoléculaires peuvent se recombiner en constituant un pont entre les deux chaînes. C’est une réticulation, qui se traduit par des caractéristiques intéressantes d’infusibilité, de résistance aux solvants, etc.
- On peut réaliser une combinaison de greffage et de réticulation en irradiant un mélange de polymère et de monomère insaturé. Il se produit alors un "greffage réticulant". Ceci permet le durcissement très rapide de formulations prépolymériques constituant des vernis, des peintures, des colles, des liants pour composites, etc.
Applications du greffage réticulant
Si la formulation est mise en oeuvre en couche mince, sous forme d’un vernis ou d’une peinture, il intervient un "radiodurcissement", revenant à un séchage sans évaporation de solvant. Il peut être réalisé à des vitesses de plusieurs centaines de mètres par minute, puisque le transfert d’énergie est instantané, sous des accélérateurs de très basse énergie et donc de très faible pénétration.
Si après l’avoir mis sous vide pour évacuer l’air de ses canaux, on imprègne du bois par une composition radiodurcissable, l’irradiation permet de durcir celle-ci de façon contrôlée (en évitant l’échauffement excessif et les éventuelles contraintes mécaniques qui résulterait d’une réaction thermocatalytique, le bois n’aime pas beaucoup les températures trop élevées), pour aboutir au "bois densifié", véritable alliage de bois et de plastique. Le bois densifié conserve l’aspect esthétique, la chaleur du bois, mais avec une dureté et une stabilité très accrues, une résistance totale aux insectes.
(b) La radiostérilisation et les traitements d’hygiénisation
Le rayonnement est un incomparable outil pour détruire à froid tous les types de micro-organismes, bactéries, moisissures etc... De façon schématique, une colonie de micro-organismes donnés voit le nombre de ses membres inéluctablement divisé par 10 toutes les fois qu’on lui applique une dose caractéristique, appelée dose de réduction décimale. Au dessous de 1, le nombre d’individus devient une probabilité de présence. La radiostérilisation permet donc de garantir l’obtention d’un degré de stérilité prescrit avec une grande fiabilité, d’autant que la pénétration du rayonnement assure que toutes les zones de l’objet sont effectivement traitées. Elle se réalise en outre à froid, et est donc particulièrement adaptée au traitement des articles jetables incorporant des thermoplastiques, comme les seringues, les vaccinostyles, les cathéters etc.
Sans aller jusqu’à la stérilité au sens médical du terme (probabilité de 10-6 d’un article non stérile), une large variété de produit peut être "hygiénisée" ou pasteurisée. On traite ainsi des emballages pharmaceutiques ou alimentaires, des enzymes industrielles, des cosmétiques etc.
(c) L’ionisation des aliments
L’ionisation des aliments a suscité, dans les années 80, de très grands espoirs, auxquels elle n’a pas encore tout à fait répondu. C’est une technologie qui recouvre en fait toute une gamme de procédés visant à améliorer la durée de conservation et les caractéristiques hygiéniques des denrées alimentaires.
De cette gamme de procédés, n’est en fait mise en oeuvre actuellement que l’hygiénisation de produits stabilisés, (soit secs, soit surgelés) : épices, légumes déshydratés, crustacés congelés, surfines de volaille, etc. Le traitement offre, pour le consommateur, l’avantage d’une garantie réelle d’hygiène des denrées traitées.
Il est vrai que le traitement des produits frais s’est heurté à des difficultés. Actuellement, quelque 20000 tonnes par an sont traitées. C’est relativement peu, mais ce procédé pourrait connaître dans l’avenir un développement significatif.
Toute une gamme de procédés
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L’ionisation, quel passé ?
Le traitement des produits frais s’est heurté à deux difficultés principales :
- La technologie s’est avérée "pointue", les résultats variant suivant les espèces, les conditions de récolte, le moment du traitement etc...
- Elle s’est avérée difficile à intégrer dans les circuits de production et de commercialisation des produits frais, pour des raisons de délais de traitement, de saisonnalité, de taille d’installation.
L’ionisation aujourd’hui
Au total, les 20 000 tonnes par an actuellement traitées en France sont révélatrices ; à la fois de l’intérêt de l’ionisation, et de ses limites. Ce n’est pas un tonnage négligeable. Mais, au regard du risque de réactions négatives de certains consommateurs, l’industrie agro-alimentaire n’as pas trouvé dans l’ionisation ce qui l’aurait motivé à réellement s’y engager, c’est à dire l’outil lui permettant de gagner des parts de marché ou d’élargir celui-ci par des produits nouveaux. Du même coup le procédé n’est utilisé que là où il est pratiquement incontournable.
L’ionisation, quel avenir ?
Depuis la reconnaissance de l’innocuité du procédé par les experts du comité tripartite OMS - FAO - AIEA, l’ionisation n’a connu qu’un développement limité, même pour des objectifs "d’hygiénisation", c’est à dire de destruction des microorganismes pathogènes présents dans les aliments.
Toutefois, les pathologies issues d’intoxication alimentaires préoccupent de plus en plus les autorités sanitaires nationales ou internationales. L’innocuité des aliments ionisés, sans limite de dose, vient tout récemment d’être reconnue par les instances citées plus haut. Ceci, avec l’ouverture accrue des frontières aux échanges commerciaux, constitue l’occasion d’un nouvel élan pour l’ionisation. Les prochaines années diront si l’ionisation se positionne en réponse adaptée aux besoins des industries agro-alimentaires.
Différents procédés caractérisés par l’éventail des bases utilisées sont appliqués aux produits frais ou déjà stabilisés.
(d) Traitements environnementaux
Des procédés sont actuellement étudiés qui exploitent les effets des rayonnements pour des traitements visant à la protection de l’environnement :
- L’irradiation des gaz de combustion permet de les épurer des oxydes d’azotes et des anhydrides sulfureux qu’ils contiennent. Ces composés se trouvent convertis en particules solides, qui, dès lors peuvent être séparées et neutralisées ;
- Certains polluants des eaux, par exemple des phénols ou des dérivés chlorés, sont détruits avec une certaine efficacité par irradiation, ou par traitement couplé irradiation et ozonisation ;
- Enfin, les boues des stations d’épuration des eaux urbaines peuvent être hygiénisées (c’est à dire purifiées des micro-organismes pathogènes) avant leur rejet dans l’environnement.
L’efficacité technique de ces traitements est maintenant bien démontrée. Compte tenu des coûts d’investissement et de fonctionnement des irradiateurs, la faisabilité économique réelle demeure à établir.
L’ENERGIE DES RAYONNEMENTS IONISANTS
Les rayonnements ionisants utilisés pour les traitements industriels ont une énergie :
- Suffisante pour rompre les liaisons chimiques, provoquer ainsi des ionisations, la formation de radicaux libres, et entraîner les effets chimiques et biologique souhaités.
- Insuffisante pour interagir avec les noyaux, et rendre radioactifs les produits traités.
Les capacités de traitement des irradiateurs industriels sont très importantes : la capacité de traitement d’un irradiateur au cobalt 60 de 1 MCi (soit une puissance émise de seulement 15 kW), ou d’un accélérateur de 10 kW, est de l’ordre de 10.000 t/an, selon, bien sûr, la dose de traitement que nécessite le produit, et le taux d’utilisation de l’installation. Et le "Rhodotron", que vient de mettre sur le marché la Société IBA (sous licence du CEA), offre une puissance garantie de 150 kW pour une énergie de 10 MeV !
LES RAYONS X DE FREINAGE ("Bremstrahlung")
Lorsqu’on interpose une cible faite d’un métal de numéro atomique élevé (tungstène, plomb, or, etc.) sur le trajet d’un faisceau d’électrons, on provoque la production de rayons X de freinage ou "bremstrahlung". Ces derniers ont l’avantage d’être beaucoup plus pénétrants que les électrons : la pénétration des "bremstrahlung" produits par des électrons de 3 MeV n’est pas très différente des rayons gamma du cobalt 60 (qui sont absorbés à 90 % par 26 cm de béton) ; les électrons de 3 MeV sont totalement absorbés par 1,5 cm d’eau. Malheureusement le rendement de conversion des électrons en rayons X est toujours très faible, de 1 à 10 % pour les énergies industrielles. Cela restreint beaucoup l’intérêt économique de la conversion.