Les thermodurcissables, qui comprennent les époxydes, les polyuréthanes et le caoutchouc utilisés pour les pneus, se retrouvent dans de nombreux produits qui doivent être durables et résistants à la chaleur, tels que les voitures ou les appareils électriques. Un inconvénient de ces matériaux est qu’ils ne peuvent généralement pas être facilement recyclés ou décomposés après utilisation, car les liaisons chimiques les maintenant ensemble sont plus fortes que celles que l’on trouve dans d’autres matériaux tels que les thermoplastiques. Les chimistes du MIT ont maintenant développé un moyen de modifier les plastiques thermodurcis avec un liant chimique qui rend les matériaux beaucoup plus faciles à décomposer, mais leur permet toujours de conserver la résistance mécanique qui les rend si utiles.

Dans un étude apparaissant dans La nature, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient produire une version dégradable d’un plastique thermodurcissable appelé pDCPD, le décomposer en poudre et utiliser la poudre pour créer plus de pDCPD. Ils ont également proposé un modèle théorique suggérant que leur approche pourrait être applicable à une large gamme de plastiques et autres polymères, comme le caoutchouc.

«Ce travail dévoile un principe de conception fondamental qui, selon nous, est général à tout type de thermodurcissable avec cette architecture de base», explique Jeremiah Johnson, professeur de chimie au MIT et auteur principal de l’étude.

Peyton Shieh, boursier postdoctoral de l’American Cancer Society au MIT, est le premier auteur de l’article.

Difficile à recycler

Les thermodurcissables sont l’une des deux principales classes de plastiques, avec les thermoplastiques. Les thermoplastiques comprennent le polyéthylène et le polypropylène, qui sont utilisés pour les sacs en plastique et autres plastiques à usage unique comme les emballages alimentaires. Ces matériaux sont fabriqués en chauffant de petites pastilles de plastique jusqu’à ce qu’elles fondent, puis en les moulant dans la forme désirée et en les laissant refroidir en un solide.

Les thermoplastiques, qui représentent environ 75% de la production mondiale de plastique, peuvent être recyclés en les chauffant à nouveau jusqu’à ce qu’ils deviennent liquides, afin qu’ils puissent être remodelés dans une nouvelle forme.

Les plastiques thermodurcissables sont fabriqués par un processus similaire, mais une fois qu’ils sont refroidis d’un liquide à un solide, il est très difficile de les ramener à l’état liquide. En effet, les liaisons qui se forment entre les molécules de polymère sont de fortes attaches chimiques appelées liaisons covalentes, qui sont très difficiles à rompre. Lorsqu’ils sont chauffés, les plastiques thermodurcis brûlent généralement avant de pouvoir être remoulés, dit Johnson.

«Une fois qu’ils ont une forme donnée, ils sont dans cette forme pour leur vie», dit-il. «Il n’existe souvent pas de moyen facile de les recycler.»

L’équipe du MIT souhaitait développer un moyen de conserver les attributs positifs des plastiques thermodurcis – leur résistance et leur durabilité – tout en les rendant plus faciles à décomposer après utilisation.

Dans un article publié l’année dernière, avec Shieh comme auteur principal, le groupe de Johnson a signalé un moyen de créer des polymères dégradables pour l’administration de médicaments, en incorporant un élément de base, ou monomère, contenant un groupe éther silylique. Ce monomère est distribué de manière aléatoire dans tout le matériau, et lorsque le matériau est exposé à des acides, des bases ou des ions tels que le fluorure, les liaisons silyléther se rompent.

Le même type de réaction chimique utilisé pour synthétiser ces polymères est également utilisé pour fabriquer certains plastiques thermodurcissables, y compris le polydicyclopentadiène (pDCPD), qui est utilisé pour les panneaux de carrosserie des camions et des bus.

En utilisant la même stratégie que celle de leur article de 2019, les chercheurs ont ajouté des monomères d’éther silylique aux précurseurs liquides qui forment le pDCPD. Ils ont découvert que si le monomère éther silylique constituait entre 7,5 et 10% du matériau global, le pDCPD conserverait sa résistance mécanique mais pourrait être décomposé en une poudre soluble lors de l’exposition aux ions fluorure.

«C’était la première chose passionnante que nous ayons trouvée», dit Johnson. «Nous pouvons rendre le pDCPD dégradable sans nuire à ses propriétés mécaniques utiles.»

Nouveaux matériaux

Dans la deuxième phase de l’étude, les chercheurs ont tenté de réutiliser la poudre résultante pour former un nouveau matériau pDCPD. Après avoir dissous la poudre dans la solution de précurseur utilisée pour fabriquer le pDCPD, ils ont pu fabriquer de nouveaux thermodurcissables de pDCPD à partir de la poudre recyclée.

«Ce nouveau matériau a des propriétés mécaniques presque impossibles à distinguer et, à certains égards, améliorées par rapport au matériau d’origine», déclare Johnson. «Montrer que vous pouvez prendre les produits de dégradation et refaire le même thermodurcissable en utilisant le même processus est passionnant.»

Les chercheurs pensent que cette approche générale pourrait également être appliquée à d’autres types de chimie thermodurcissable. Dans cette étude, ils ont montré que l’utilisation de monomères dégradables pour former les brins individuels des polymères est beaucoup plus efficace que l’utilisation de liaisons dégradables pour «réticuler» les brins ensemble, ce qui a déjà été essayé. Ils pensent que cette approche de brin clivable pourrait être utilisée pour générer de nombreux autres types de matériaux dégradables.

«Il s’agit d’une avancée passionnante dans l’ingénierie des plastiques thermodurcis», déclare Jeffrey Moore, professeur de chimie à l’Université de l’Illinois, qui n’a pas participé à l’étude. «Les chimistes ont consacré l’essentiel de leurs efforts à apprendre à synthétiser de meilleurs plastiques, et beaucoup moins de recherche en chimie a été investie dans la science de la déconstruction des polymères. Le travail de Johnson aide à combler cette lacune importante dans les connaissances fondamentales tout en fournissant des avancées d’importance technologique. »

Si les bons types de monomères dégradables peuvent être trouvés pour d’autres types de réactions de polymérisation, cette approche pourrait être utilisée pour fabriquer des versions dégradables d’autres matériaux thermodurcis tels que les acryliques, les époxydes, les silicones ou le caoutchouc vulcanisé, dit Johnson.

Les chercheurs espèrent maintenant créer une entreprise pour licencier et commercialiser la technologie. Le MIT a également accordé à Millipore Sigma une licence non exclusive pour fabriquer et vendre les monomères d’éther silylique à des fins de recherche.

Patrick Casey, nouveau consultant produit chez SP Insight et mentor au Deshpande Center for Technological Innovation du MIT, a travaillé avec Johnson et Shieh pour évaluer la technologie, notamment en effectuant une modélisation économique préliminaire et une étude de marché secondaire.

«Nous avons discuté de cette technologie avec certains acteurs de premier plan du secteur, qui nous disent qu’elle promet d’être bénéfique pour les parties prenantes tout au long de la chaîne de valeur», déclare Casey. «Les fabricants de pièces reçoivent un flux de matériaux recyclés à faible coût; les équipementiers, tels que les constructeurs automobiles, peuvent atteindre leurs objectifs de développement durable; et les recycleurs tirent une nouvelle source de revenus des plastiques thermodurcis. Les consommateurs voient une réduction des coûts et nous avons tous un environnement plus propre. »

Référence

Shieh et al. (2020). Les comonomères clivables permettent des plastiques thermodurcissables dégradables et recyclables. La nature. EST CE QUE JE: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2495-2

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