Les progrès de la recherche sur les matériaux à changement de phase, un levier d’efficacité pour la chaîne du froid des produits alimentaires et de santé

Qu’est-ce qu’un matériau à changement de phase (PCM) ? 

Les matériaux à changement de phase (PCM) sont des substances capables de stocker et de restituer de grandes quantités de chaleur lorsqu’elles passent d’un état à l’autre (de l’état solide à liquide ou inversement, par exemple). Ils fonctionnent comme des batteries thermiques, absorbant la chaleur lorsque l’environnement est chaud et la libérant lorsqu’il se refroidit. Ils sont notamment utilisés dans les bâtiments, les pièces électroniques et les textiles pour réguler la température efficacement et réduire la consommation d’énergie. 

Leur capacité à stocker et à restituer de la chaleur les rend particulièrement intéressants dans le domaine de la chaîne du froid, marqué par une demande croissante en produits périssables, qui nécessitent une gestion rigoureuse de la température. Le froid est en effet essentiel à la préservation de la qualité et de la sécurité sanitaire des denrées alimentaires et des produits de santé thermosensibles. Toutefois, le maintien d’une température homogène tout au long du transport et de l’entreposage des marchandises s’avère particulièrement énergivore. Dans ce contexte, l’intégration des PCM dans les systèmes utilisés peut permettre une meilleure stabilité thermique des produits tout en réduisant la consommation énergétique. Cette approche constitue donc une solution plus durable. 

Ces matériaux présentent d’autres avantages : ils sont réutilisables, transportables et relativement peu coûteux et ils permettent de réaliser des économies d’énergie grâce à leur possibilité de recharge lorsque les tarifs de l’électricité sont bas. 

Dans un article récemment publié dans la Revue internationale du froid de l’IIF, Xiang Yun Debbie Soo et d’autres chercheurs provenant de l’Agence pour la science, la technologie et la recherche, de l’Université nationale de Singapour et de l’Université technologique de Nanyang (Singapour) ont évalué les développements récents de la recherche sur les technologies de PCM organiques, inorganiques, eutectiques et polymères semi-liquides (gels). Les auteurs ont examiné les performances de ces matériaux dans le cadre d’études expérimentales à l’échelle du laboratoire ainsi que dans des applications disponibles sur le marché, notamment pour les caisses isothermes.  

Par exemple, dans une étude expérimentale sur le stockage des vaccins, un PCM eutectique à base d’acide laurique-décanoïque a été testé dont les parois étaient revêtues de panneaux d’isolation sous vide et de mousse en polyuréthane ^[1]. À une température ambiante de 31 °C, le système a permis de maintenir la plage de température requise de 2 à 8 °C durant 10 heures, avec une distribution thermique uniforme sur les plaques supérieure, latérales et inférieure. 

Outre les performances à l’échelle du laboratoire, il existe plusieurs applications commerciales pour les PCM, qui couvrent une large plage de température de fonctionnement allant de -35 à 27 °C (voir tableau). 

Malgré d’importants progrès réalisés, la recherche et le développement se poursuivent afin d’optimiser encore les formulations des PCM en vue d’améliorer les performances thermiques, de prolonger les durées de refroidissement et d’accroître l’efficacité énergétique des systèmes.

Les PCM sont par exemple sujets à la surfusion, phénomène au cours duquel le matériau reste à l’état liquide en dessous de son point de fusion ^[2]. La surfusion et la séparation de phases peuvent entraîner un cycle de dégradation s’auto-alimentant, où les composants des PCM se séparent au fil des cycles successifs, en particulier les hydrates de sel et les mélanges eutectiques.

Selon X. Y. D. Soo et ses collaborateurs ^[1], les stratégies visant à atténuer ces effets consistent à utiliser des agents de nucléation, la gélification ou l’adsorption sur des matrices pour limiter la surfusion, des épaississants ou des agents gélifiants pour réduire la séparation de phases, des matériaux conducteurs pour ajuster la conductivité thermique, et la macro- et la microencapsulation pour empêcher les fuites de PCM pendant les transitions de phase. 

L’article est publié en intégralité dans la Revue internationale du froid.  

Sources 

[1] Soo, X. Y. D., Ong, P. J., Lim, Y. K. Z., et al. (2025). Recent advances in low-temperature phase change materials for cold chain logistics. International Journal of Refrigeration. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2025.03.011  

[2] Shamseddine, I., Pennec, F., Biwole, P., & Fardoun, F. (2022). Supercooling of phase change materials: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 158, 112172. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112172

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