Comment les plastiques peuvent-ils être conçus de manière à conserver leurs propriétés souhaitables tout en pouvant être recyclés plus efficacement ? Cette question et d’autres concernant le respect de l’environnement des plastiques sont au centre des préoccupations du chimiste Stefan Mecking et de son groupe de recherche à l’Université de Constance.
Dans leur dernier article dans l’édition internationale de Angewandte Chemiel’équipe présente un nouveau polyester qui présente des propriétés matérielles attractives pour l’industrie tout en étant respectueuses de l’environnement.
Normalement incompatible
Les plastiques sont constitués de longues chaînes d’un ou plusieurs modules chimiques de base, appelés monomères. Les plastiques caractérisés par une cristallinité et une imperméabilité à l’eau élevées, qui sont donc mécaniquement très résistantes et stables, sont largement utilisés. Un exemple bien connu est le polyéthylène haute densité (HDPE), dont les modules de base sont constitués de molécules d’hydrocarbures non polaires.
Ce qui peut être d’un côté des propriétés avantageuses pour les applications peut aussi avoir des effets néfastes : il est très énergivore et inefficace de recycler de tels plastiques et de récupérer les modules de base. De plus, si de tels plastiques fuient dans l’environnement, le processus de dégradation est extrêmement long.
Pour surmonter cette supposée incompatibilité entre la stabilité et la biodégradabilité des plastiques, Mecking et son équipe ont inséré des « points de rupture » chimiques dans leurs matériaux. Ils ont déjà montré que cela améliore considérablement la recyclabilité des plastiques de type polyéthylène. Cependant, une bonne biodégradabilité n’est pas automatiquement garantie.
« Les plastiques acquièrent souvent une grande résilience car ils sont ordonnés dans des structures cristallines denses », explique Mecking. « La cristallinité en combinaison avec le caractère hydrofuge ralentit généralement fortement le processus de biodégradation, car elle entrave l’accès des micro-organismes aux points de rupture. » Cependant, cela ne s’applique pas au nouveau plastique des chercheurs.
Cristallin mais compostable
Le nouveau plastique, le polyester-2,18, se compose de deux modules de base : une courte unité diol à deux atomes de carbone et un acide dicarboxylique à 18 atomes de carbone. Les deux modules peuvent être facilement obtenus à partir de sources durables. Par exemple, la matière première de l’acide dicarboxylique, qui est le composant principal du plastique, provient d’une source renouvelable.
Les propriétés du polyester ressemblent à celles du HDPE : grâce à sa structure cristalline, par exemple, il présente à la fois une stabilité mécanique et une résistance à la température. Parallèlement, les premières expérimentations de recyclabilité ont montré que dans des conditions relativement douces, les modules de base de ce matériau pouvaient être récupérés.
Le nouveau plastique possède également une autre propriété assez inattendue : malgré sa forte cristallinité, il est biodégradable, comme l’ont montré des expériences en laboratoire avec des enzymes naturelles et des tests dans une usine de compostage industrielle. En quelques jours, dans une expérience en laboratoire, le polyester a été dégradé par des enzymes. Les micro-organismes de l’usine de compostage ont nécessité environ deux mois, donc ce plastique répond même aux normes de compostage ISO.
« Nous aussi, nous avons été étonnés par cette dégradation rapide », déclare Mecking. « Bien sûr, nous ne pouvons pas transférer les résultats de l’usine de compostage un à un dans n’importe quelle condition environnementale imaginable. Mais ils confirment que ce matériau est effectivement biodégradable et indiquent qu’il est beaucoup moins persistant que les plastiques comme le HDPE, s’il devait involontairement être rejeté dans l’environnement. »
Tant la recyclabilité de ce polyester que sa biodégradabilité dans des conditions environnementales variables doivent maintenant être étudiées plus avant. Mecking voit des applications possibles pour ce nouveau matériau, par exemple dans l’impression 3D ou dans la production de feuilles d’emballage. De plus, il existe d’autres domaines d’intérêt, dans lesquels il est souhaitable de combiner la cristallinité avec la recyclabilité et la dégradation des particules abrasées ou une perte similaire de matière.
Plus d’information:
Marcel Eck et al, Matériau biodégradable de type polyéthylène haute densité, Angewandte Chemie (2022). DOI : 10.1002/ange.202213438