Des plastiques ultra-résistants qui se désagrègent sur commande

Les plastiques thermodurcissables, aussi appelés thermosets, sont partout : carrosseries de voitures, pales d’éoliennes, circuits imprimés, pièces aéronautiques, articles de sport, prothèses, etc. Ces matériaux polymères à la fois légers et extrêmement solides résistent aussi bien à la chaleur qu’aux attaques chimiques. Ces performances proviennent du réseau de liaisons covalentes permanentes qui lient toutes les molécules entre elles. Mais c’est précisément cette force qui pose un énorme problème environnemental : une fois ces matériaux durcis, comme une colle époxy par exemple, ils sont quasiment impossibles à recycler car il faudrait pour cela rompre ces liaisons extrêmement fortes entre molécules. La plupart de ces matériaux finissent donc à la décharge ou sont incinérés. 

Une équipe de chimistes de l’Institut de chimie radicalaire (CNRS/Aix-Marseille Université), du laboratoire Catalyse, polymérisation, procédés et matériaux (CNRS/Université Lyon 1/CPE Lyon) et de l’Institut de science des matériaux de Mulhouse (CNRS/Université de Haute-Alsace) vient de publier une solution élégante et prometteuse pour rendre ces matériaux « déconstructibles à la demande » sans sacrifier leurs performances exceptionnelles.

Jusqu’ici, la stratégie la plus étudiée consistait à introduire des liaisons chimiques « cassables » dans la structure du polymère en mélangeant un monomère clivable (liaison qui peut s’ouvrir) à la résine de départ. En théorie, si le matériau final est plongé dans une solution acide ou basique, ces liaisons se rompent et le réseau se désagrège. En pratique, cela pose deux gros soucis : la diffusion des acides ou des bases dans un matériau dense et solide est très lente et il faut souvent des conditions agressives (solvants dangereux, concentrations élevées), peu compatibles avec une utilisation industrielle ou un recyclage à grande échelle.

L’astuce imaginée par les chimistes marseillais et leurs collègues consiste donc à introduire, en plus du monomère clivable, une « base endormie » dans la formulation de départ. Ces fonctions incorporées au réseau restent inertes pendant la fabrication et l’utilisation normale du matériau, mais s’activent entre 100°C et 200 °C selon leur structure, soit par simple chauffage, soit par lumière proche infrarouge (NIR) qui chauffe localement le matériau. Une fois activées, elles catalysent très rapidement la rupture des liaisons clivables. Le réseau tridimensionnel se transforme alors en molécules ramifiées solubles, faciles à récupérer et à recycler. Le grand avantage est que tout se passe à l’intérieur du matériau sans qu’il ne soit nécessaire d’immerger la pièce dans des bains corrosifs. Cette approche qui fonctionne avec différentes chimies de résines thermodurcissables par la chaleur ou la lumière est compatible avec l’impression 3D. Le matériau conserve ses performances mécaniques et chimiques. En rendant programmables la dégradation et le recyclage, cette technologie ouvre la voie à des applications dans les structures adaptatives, le désassemblage à la demande, le recyclage sélectif, ou encore des capteurs et dispositifs de sécurité intelligents. 

Cette avancée vers une chimie des polymères plus durable concilie haute performance et responsabilité environnementale de nouveaux matériaux « à la carte » : solides comme du roc et qui disparaissent ou se recyclent proprement le moment venu. Cette étape importante vers une économie circulaire des matériaux composites et des plastiques hautes performances a fait l’objet d’un brevet par la SATT Conectus et est parue dans la revue Angewandte Chemie International Edition.

Rédacteur : AVR