Des chercheurs de l’Université de Tokyo ont développé un plastique innovant, plus résistant et plus extensible que le type standard actuel. Le plastique est également partiellement biodégradable, conserve sa forme et peut être guéri par la chaleur. Les chercheurs l’ont créé en ajoutant la molécule polyrotaxane à une résine époxy vitrimer, un type de plastique.
Nommé VPR, le matériau peut conserver sa forme et possède de fortes liaisons chimiques internes à basse température. Cependant, à des températures supérieures à 150° Celsius, ces liaisons se recombinent et le matériau peut être reformé sous différentes formes.
L’application de chaleur et d’un solvant décompose le VPR en ses composants bruts. Le plonger dans l’eau de mer pendant 30 jours a également entraîné une biodégradation de 25 %, le polyrotaxane se transformant en une source de nourriture pour la vie marine. Ce nouveau matériau pourrait avoir des applications de grande envergure pour une économie plus circulaire afin de recycler les ressources et de réduire les déchets, de l’ingénierie et de la fabrication à la médecine et à la mode durable.
L’étude « Polyrotaxane thermodurcissable durable et respectueux de l’environnement contenant du vitrimer » est publié dans la revue Lettres de matériaux ACS.
Malgré les campagnes mondiales visant à réduire l’utilisation et les déchets de plastique, il est difficile d’éviter ce matériau omniprésent. Des jouets et vêtements, en passant par les articles ménagers et électroniques, jusqu’aux véhicules et infrastructures, il semble aujourd’hui que cela se retrouve dans presque tout ce que nous utilisons. Bien qu’utiles, le cycle de vie et l’élimination du plastique posent de nombreux problèmes.
Développer des alternatives qui durent plus longtemps, peuvent être réutilisées et recyclées plus facilement, ou qui sont fabriquées à partir de sources respectueuses de l’environnement, est essentiel pour contribuer à résoudre ces problèmes et réaliser plusieurs des objectifs de développement durable des Nations Unies.
C’est dans cette optique que des chercheurs de l’Université de Tokyo ont créé un plastique plus durable, à base de résine époxy vitrimer. Les vitrimères sont une classe relativement nouvelle de plastiques, qui sont solides et résistants à des températures plus basses (comme les plastiques thermodurcis, utilisés pour fabriquer de la vaisselle résistante à la chaleur), mais qui peuvent également être remodelés plusieurs fois à des températures plus élevées (comme les thermoplastiques, utilisés pour les bouteilles en plastique). ). Cependant, ils sont généralement fragiles et ne peuvent pas être étirés bien avant de se briser.
En ajoutant une molécule appelée polyrotaxane, l’équipe a pu créer une version considérablement améliorée qu’elle a baptisée VPR (vitrimer incorporé au polyrotaxane [PR]).
« Le VPR est cinq fois plus résistant à la rupture qu’un vitrimer de résine époxy classique », a déclaré le professeur adjoint de projet Shota Ando de la Graduate School of Frontier Sciences. « Il se répare également 15 fois plus vite, peut retrouver sa forme originale mémorisée deux fois plus vite et peut être recyclé chimiquement 10 fois plus vite que le vitrimer typique. Il se biodégrade même en toute sécurité dans un environnement marin, ce qui est nouveau pour ce matériau. »
Le polyrotaxane suscite de plus en plus d’intérêt dans la science et l’industrie en raison de sa capacité à améliorer la résistance de différents matériaux. Dans cette étude, la résistance améliorée du VPR signifiait que des formes plus complexes pouvaient être créées et conservées même à basse température (comme la grue en origami dans la vidéo fournie avec cette version).
L’élimination ou le recyclage était également plus facile que pour les vitrimères sans polyrotaxane, a expliqué Ando.
« Bien que cette résine soit insoluble dans divers solvants à température ambiante, elle peut être facilement décomposée au niveau de la matière première lorsqu’elle est immergée dans un solvant spécifique et chauffée. Elle a également montré une biodégradation de 25 % après une exposition à l’eau de mer pendant 30 jours. En comparaison, Le vitrimer sans PR n’a subi aucune biodégradation apparente. Ces caractéristiques en font un matériau idéal dans la société actuelle, qui exige le recyclage des ressources », a déclaré Ando.
De l’ingénierie à la mode, de la robotique à la médecine, l’équipe envisage des applications à la fois pratiques et ludiques pour VPR.
« Juste pour donner quelques exemples, les matériaux d’infrastructure des routes et des ponts sont souvent composés de résines époxy mélangées à des composés tels que le béton et le carbone. En utilisant le VPR, ceux-ci seraient plus faciles à entretenir car ils seraient plus solides et cicatrisables par la chaleur », a suggéré Ando.
« Contrairement aux résines époxy conventionnelles, ce nouveau matériau est dur mais extensible, on pourrait donc également s’attendre à ce qu’il lie fortement des matériaux de dureté et d’allongement différents, comme c’est le cas pour la fabrication de véhicules. De plus, comme il possède une mémoire de forme, une édition de forme et une capacité d’édition de forme capacités de récupération, vous pourrez peut-être aussi un jour réorganiser la silhouette de vos vêtements préférés à la maison avec un sèche-cheveux ou un fer à vapeur.
La prochaine étape de l’équipe sera de travailler avec les entreprises pour déterminer la faisabilité de ses différentes idées de VPR, ainsi que de poursuivre ses recherches en laboratoire. « J’ai toujours pensé que les plastiques existants étaient très difficiles à récupérer et à éliminer car ils étaient subdivisés en fonction de leurs utilisations », a déclaré Ando. « Ce serait idéal si nous pouvions résoudre de nombreux problèmes mondiaux avec un seul matériau comme celui-ci. »
Plus d’information:
Shota Ando et al, Polyrotaxane thermodurcissable durable et respectueux de l’environnement contenant du vitrimer, Lettres de matériaux ACS (2023). DOI : 10.1021/acsmaterialslett.3c00895