Les scientifiques ont conçu un nouveau système de matériaux pour surmonter l’un des plus grands défis du recyclage des produits de consommation : le recyclage des plastiques mélangés. Leur réalisation contribuera à permettre une gamme beaucoup plus large de produits en plastique entièrement recyclables et mettra en place une économie circulaire efficace pour les biens durables comme les automobiles.
Nous produisons chaque année des quantités stupéfiantes de plastique et de produits contenant du plastique, mais seule une infime fraction de ce plastique peut être récupérée et utilisée pour fabriquer des produits de qualité similaire. En effet, la plupart des produits, des films d’emballage alimentaire et des sacs à usage unique aux baskets et aux appareils électroniques, sont fabriqués à partir de mélanges de différents plastiques, et une fois qu’ils sont mélangés, ces plastiques ne peuvent pas être récupérés et utilisés pour fabriquer de nouveaux sacs ou baskets. Au lieu de cela, la plupart finissent dans des décharges, des incinérateurs ou des océans.
Une équipe de scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) s’attaque au défi des plastiques mixtes en utilisant un matériau conçu sur mesure appelé polydiketoenamine (PDK), un nouveau type de plastique qu’ils ont développé pour être recyclé efficacement et indéfiniment, offrant un faible solution de fabrication de carbone pour les produits en plastique qui ne doivent jamais se retrouver dans une décharge.
Dans une nouvelle étude parue dans Avancées scientifiques, l’équipe a montré qu’elle pouvait créer des PDK personnalisés spécifiquement adaptés au recyclage des plastiques mixtes et qu’elle pouvait récupérer entièrement les plastiques constitutifs d’un produit mélangé composé de plusieurs PDK et d’autres matériaux de fabrication courants. Brett Helms, de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, a dirigé l’équipe multidisciplinaire, qui comprenait également des chercheurs du Joint BioEnergy Institute (JBEI) et de l’Advanced Light Source de Berkeley Lab, entre autres. Le travail est une validation majeure d’un matériau prometteur et approfondit nos connaissances en chimie des polymères.
« Nous savons maintenant comment adapter les plastiques PDK afin de recycler des produits complexes comprenant plusieurs types de matériaux », a déclaré Helms. « Un exemple pourrait être une chaussure, où un textile est lié à un caoutchouc par un adhésif. Les matériaux conventionnels utilisés dans ces produits ne peuvent pas être recyclés pour être réutilisés, car ils ne peuvent pas être déconstruits indépendamment. Pourtant, s’ils étaient fabriqués à partir de différents polymères PDK spécialement conçus, alors ils pourraient l’être pour la première fois. »
Création d’un matériau design
Les PDK et autres plastiques sont connus sous le nom de polymères, des matériaux dans lesquels les molécules constitutives sont de longues chaînes de petites unités répétées appelées monomères. Pour ce travail, les chercheurs ont commencé par fabriquer une variété de PDK avec des structures chimiques légèrement différentes et ont montré que chacune pouvait être « dépolymérisée » ou décomposée en ses monomères respectifs avec des rendements de récupération élevés. Il s’agit essentiellement du processus de recyclage du plastique, car ces monomères récupérés peuvent ensuite être utilisés pour créer un nouveau lot de PDK.
L’équipe a découvert que chaque PDK se dépolymérisait à une température et à une vitesse différentes. Pour mieux comprendre ces propriétés, ils ont utilisé des calculs théoriques et des modèles informatiques (théorie de la fonctionnelle de la densité) pour simuler les différents polymères et explorer comment ils se forment et se dépolymérisent. À l’aide de ces connaissances théoriques, l’équipe a identifié les meilleures molécules PDK pour le travail et a encore optimisé leur conception.
« Un aspect particulièrement intéressant de ce travail était l’intégration étroite entre les expériences et les calculs », a déclaré Kristin Persson, directrice de Molecular Foundry, qui a dirigé les travaux théoriques. « En découvrant le mécanisme qui sous-tend la circularité, nous avons pu concevoir de nouveaux polymères qui conservent la recyclabilité. Nous sommes ravis que ces idées de conception éclairent les travaux futurs.
« C’est grâce à ces interactions entre théorie et expérience que nous construisons les connaissances et le cadre pour établir les règles de conception régissant la réactivité des polymères », a déclaré Helms. « Sinon, nous n’aurions que des observations, plutôt qu’une explication. »
Plastiques mixtes ? aucun problème
À l’aide de ces molécules optimisées, les chercheurs ont démontré le succès de leur système de matériaux en créant des plastiques mélangés, chacun composé de deux PDK différents, puis en dépolymérisant et en récupérant complètement les matériaux constitutifs. Ils ont répété la démonstration avec des PDK de différentes couleurs, répondant à un défi particulier de l’industrie, et ont montré qu’avec un processus légèrement plus complexe, ils pouvaient à nouveau récupérer les monomères PDK avec des rendements élevés.
L’équipe a également montré comment PDK peut être utilisé pour fabriquer des emballages en plastique flexibles recyclables à partir de plastiques conventionnels. Ils ont formé un film multicouche à partir de plastiques courants – polypropylène (PP) et polyéthylène téréphtalate (PET) – en utilisant une « couche de liaison » de PDK pour les lier ensemble. Normalement, le PP et le PET ne pouvaient pas être extraits d’un matériau multicouche, mais ici, les chercheurs ont tiré parti de leur contrôle sur la couche PDK pour séparer et récupérer également les films PP et PET.
Dans une démonstration finale de leur approche puissante, les chercheurs ont construit un objet à partir d’un mélange de différents PDK avec du verre et de l’acier inoxydable, pour simuler les défis du recyclage automobile, et ont recommencé le processus de recyclage, démontrant une récupération à haut rendement du les monomères PDK ainsi que le verre et le métal. Ces résultats pourraient conduire à un changement significatif dans notre approche de la fabrication de biens durables, permettant une économie circulaire dans laquelle les produits sont conçus pour être entièrement récupérés et réutilisés.
« Les produits de consommation complexes ne sont tout simplement pas recyclés aujourd’hui ; ils sont soit incinérés, mis en décharge ou recyclés », a déclaré Helms. « Ici, nous avons jeté les bases de la façon de recycler ces produits vers leurs blocs de construction monomères d’origine, facilitant ainsi la récupération des matériaux qui leur sont liés pour la réutilisation, y compris les métaux précieux ou le verre. De cette façon, les matériaux PDK apportent plus de circularité à la fabrication avec une intensité de carbone intrinsèquement faible. »
Jeremy Demarteau et al, Circularité dans le recyclage chimique des plastiques mixtes activée par des taux variables d’hydrolyse de la polydicétamine, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abp8823. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8823