L'édition de polymères permet de recycler les déchets en plastiques plus performants
Des propriétés plus précieuses que la matière première
En modifiant les polymères des Plastiques mis au rebut, des chimistes du laboratoire national Oak Ridge du ministère de l'énergie ont trouvé un moyen de générer de nouvelles macromolécules aux propriétés plus intéressantes que celles du matériau de départ. Le recyclage pourrait contribuer à remédier aux quelque 450 millions de tonnes de plastique jetées chaque année dans le monde, dont seulement 9 % sont recyclées ; le reste est incinéré ou se retrouve dans les décharges, les océans ou ailleurs.
Pour recycler les polymères des plastiques usagés, des chimistes de l'Oak Ridge National Laboratory ont inventé un moyen de générer de nouvelles macromolécules aux propriétés plus intéressantes que celles du matériau de départ.
Adam Malin/ORNL, U.S. Dept. of Energy
L'invention de l'ORNL pourrait changer le destin environnemental du plastique en réarrangeant les éléments constitutifs des polymères afin de personnaliser les propriétés des plastiques. Les sous-unités moléculaires se lient pour produire des chaînes de polymères qui peuvent se connecter à travers leurs épines dorsales et des molécules réticulées pour former des plastiques à usages multiples. La composition des chaînes de polymères détermine la solidité, la rigidité ou la résistance à la chaleur de ces plastiques.
L'édition moléculaire est si prometteuse qu'elle a été à l'origine de deux prix Nobel de chimie. En 2005, le prix a été décerné aux concepteurs de la réaction de métathèse, qui rompt et établit des doubles liaisons entre les atomes de carbone des anneaux et des chaînes, de sorte que leurs sous-unités peuvent être échangées pour créer de nouvelles molécules dont l'imagination est la seule limite. De même, en 2020, le prix a été attribué aux développeurs de CRISPR, des "ciseaux génétiques" pour éditer les brins d'ADN, des biopolymères composés de sous-unités de nucléotides qui portent le code de la vie.
"Il s'agit de CRISPR pour l'édition de polymères", a déclaré Jeffrey Foster, de l'ORNL, qui a dirigé une étude publiée dans le Journal of the American Chemical Society. "Toutefois, au lieu d'éditer des brins de gènes, nous éditons des chaînes de polymères. Il ne s'agit pas du scénario typique du recyclage des plastiques, qui consiste à les faire fondre en espérant que tout ira pour le mieux.
Les chercheurs de l'ORNL ont précisément modifié des polymères de base qui contribuent de manière significative aux déchets plastiques. Dans certaines expériences, les chercheurs ont travaillé avec du polybutadiène souple, que l'on trouve couramment dans les pneus en caoutchouc. Dans d'autres expériences, ils ont travaillé avec du styrène acrylonitrile-butadiène résistant, qui entre dans la composition des jouets en plastique, des claviers d'ordinateur, des tuyaux de ventilation, des casques de protection, des garnitures et des moulages de véhicules, ainsi que des appareils de cuisine.
"Il s'agit d'un flux de déchets qui n'est pas du tout recyclé", a déclaré M. Foster. "Grâce à cette technologie, nous nous attaquons à un élément important du flux de déchets. Cela aurait un impact assez important rien qu'en termes de conservation de la masse et de l'énergie des matériaux qui se retrouvent actuellement dans les décharges".
La dissolution des déchets polymères est la première étape de la création d'additifs pour la synthèse des polymères. Les chercheurs ont déchiqueté du polybutadiène et de l'acrylonitrile-butadiène-styrène synthétiques ou commerciaux et les ont immergés dans un solvant, le dichlorométhane, pour mener une réaction chimique à basse température (40 degrés Celsius) pendant moins de deux heures.
Un catalyseur au ruthénium a facilité la polymérisation, c'est-à-dire l'addition de polymères. Les entreprises industrielles ont utilisé ce catalyseur pour fabriquer des plastiques robustes et pour convertir sans difficulté la biomasse telle que les huiles végétales en carburants et autres composés organiques de grande valeur, ce qui souligne le potentiel d'utilisation de ce catalyseur dans le domaine du recyclage chimique.
Les éléments moléculaires de l'ossature du polymère contiennent des groupes fonctionnels ou des grappes d'atomes qui servent de sites réactifs pour la modification. En particulier, les doubles liaisons entre les carbones augmentent les chances de réactions chimiques permettant la polymérisation. Un anneau de carbone s'ouvre au niveau d'une double liaison pour créer une chaîne de polymères qui s'allonge à mesure que chaque unité fonctionnelle de polymère s'y insère directement, ce qui permet de conserver le matériau. L'additif plastique permet également de contrôler le poids moléculaire du matériau synthétisé et, par conséquent, ses propriétés et ses performances.
Si cette stratégie de synthèse des matériaux pouvait être étendue à une gamme plus large de polymères importants pour l'industrie, elle pourrait s'avérer une voie économiquement viable pour la réutilisation de matériaux de fabrication qui, aujourd'hui, ne peuvent être utilisés que dans un seul produit. Les matériaux recyclés pourraient, par exemple, être plus souples et plus extensibles que les polymères d'origine ou, peut-être, plus faciles à façonner et à durcir en produits thermodurcissables durables.
Les scientifiques ont recyclé des déchets plastiques en utilisant deux processus en tandem. Il s'agit dans les deux cas de métathèses, ce qui signifie un changement de place. Des doubles liaisons se brisent et se forment entre les atomes de carbone, ce qui permet aux sous-unités de polymère de s'échanger.
L'un des procédés, appelé polymérisation par métathèse à ouverture d'anneau, ouvre les anneaux de carbone et les allonge en chaînes. L'autre processus, appelé métathèse croisée, insère des chaînes de sous-unités de polymères d'une chaîne de polymères dans une autre.
Le recyclage traditionnel ne parvient pas à exploiter la valeur des plastiques mis au rebut, car il réutilise des polymères qui perdent de leur valeur en se dégradant à chaque fusion et réutilisation. En revanche, le procédé innovant d'upcycling de l'ORNL utilise les éléments constitutifs existants pour intégrer la masse et les caractéristiques du matériau de rebut et lui conférer une fonctionnalité et une valeur ajoutées.
"Le nouveau procédé est très économique en atomes", a déclaré M. Foster. "Cela signifie que nous pouvons pratiquement récupérer tous les matériaux que nous avons introduits.
Les scientifiques de l'ORNL ont démontré que le processus, qui consomme moins d'énergie et produit moins d'émissions que le recyclage traditionnel, permet d'intégrer efficacement les déchets sans compromettre la qualité du polymère. Foster, Ilja Popovs et Tomonori Saito ont conceptualisé les idées de l'article. Nicholas Galan, Isaiah Dishner et Foster ont synthétisé des sous-unités de monomères et optimisé leur polymérisation. Joshua Damron a réalisé des expériences de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire pour analyser la cinétique de la réaction. Jackie Zheng, Chao Guan et Anisur Rahman ont caractérisé les propriétés mécaniques et thermiques des matériaux finaux.
"L'idée est d'étendre ce concept à n'importe quel polymère possédant une sorte de groupe fonctionnel dorsal avec lequel il est possible de réagir", a déclaré M. Foster. S'il est mis à l'échelle et étendu à d'autres additifs, des catégories plus larges de déchets pourraient être exploitées pour obtenir des blocs de construction moléculaires, ce qui réduirait considérablement l'impact sur l'environnement d'autres plastiques difficiles à traiter. L'économie circulaire - dans laquelle les déchets sont réutilisés plutôt que jetés - devient alors un objectif plus réaliste.
Ensuite, les chercheurs souhaitent modifier les types de sous-unités de la chaîne polymère et les réarranger pour voir s'ils peuvent créer des matériaux thermodurcissables à haute performance. Les résines époxy, le caoutchouc vulcanisé, le polyuréthane et le silicone en sont des exemples. Une fois durcis, les matériaux thermodurcis ne peuvent être refondus ou remodelés car leur structure moléculaire est réticulée. Leur recyclage constitue donc un défi.
Les chercheurs s'intéressent également à l'optimisation des solvants en vue d'une durabilité environnementale au cours du traitement industriel.
"Ces déchets plastiques devront subir un traitement préalable qu'il nous reste à déterminer", a déclaré M. Foster.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Jeffrey C. Foster, Joshua T. Damron, Jackie Zheng, Chao Guan, Ilja Popovs, Md. Anisur Rahman, Nicholas J. Galan, Isaiah T. Dishner, Tomonori Saito; "Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Upcycling Paradigm"; Journal of the American Chemical Society, Volume 146, 2024-10-29
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