Un nouveau pas vers du polystyrène biodégradable

Résultats scientifiques

Le polystyrène (PS) est un des plastiques les plus utilisés dans le monde, mais malheureusement non dégradable. Face au problème majeur de gestion des déchets plastiques, de nombreuses approches sont envisagées pour lui conférer une forme de dégradabilité. Des chimistes de l'Institut de chimie radicalaire (CNRS/Aix-Marseille Université) ont récemment démontré la possibilité d’insérer des unités susceptibles de se rompre de manière contrôlée dans des chaînes de PS. Ces résultats, parus dans la revue Macromolecules, sont un premier pas très prometteur vers la biodégradation du PS.

Avec plus de 300 millions de tonnes de plastiques produits industriellement chaque année, les déchets plastiques sont devenus une préoccupation environnementale majeure. Le polystyrène (PS) est l'une des principales sources de ces matières plastiques. Sa grande durabilité, sa facilité de traitement et sa stabilité hydrolytique font qu’il est très largement utilisé dans l'emballage, l'isolation, les industries agro-alimentaires et du bâtiment. Il est ainsi devenu un polluant majeur des sols, des rivières, des lacs et des océans. Le squelette des chaines de polystyrène étant constitué de liaisons carbonés C-C, il est en effet, comme la plupart des plastiques de commodité, non dégradable. Depuis des décennies, les chimistes essayent de trouver des solutions pour lui conférer une dégradabilité partielle ou totale.

La technique la plus courante pour traiter chimiquement les déchets de polystyrène est la décomposition thermique ou thermocatalytique qui conduit soit à des produits de type carburant, soit à un recyclage en boucle fermée grâce à la récupération du monomère styrène. Si la biodégradation par des bactéries présentes dans le sol est également étudiée depuis les années 1960, la masse molaire très élevée du PS limite sévèrement l'efficacité de ces réactions enzymatiques. Une solution possible pour le rendre (bio)dégradable serait d’insérer le long de la chaîne carbonée des unités qui comportent des liaisons clivables, c’est à dire susceptibles de se casser sous certaines conditions et en un certain temps, pour produire des oligomères (plus petites chaînes) eux-mêmes biodégradables.

Une équipe de l’Institut de chimie radicalaire (CNRS/Aix-Marseille Univ.) a récemment étudié la possibilité d’insérer des groupements thioesters clivables dans des chaînes de PS. Connu pour sa copolymérisation efficace avec les monomères acryliques, le dibenzo[c,e]-oxépane-5-thione (DOT) est un monomère cyclique très intéressant mais qui, jusqu’ici, n’avait pas pu être intégré dans des chaînes de PS. Grace à une étude théorique préalable et des simulations numériques, l’équipe de chimistes a cependant démontré qu’une modification des conditions expérimentales de synthèse permettait de s'affranchir de ces limitations. Ils ont ainsi pu préparer, en utilisant des conditions industrielles classique, des PS contenant une faible fraction (5%) de liens de type thioester introduits de façon régulière dans le squelette du polymère et ce sans modifier les propriétés thermiques et mécaniques du matériau. Les études de dégradation ont montré que les chaines de polymères peuvent se dégrader en fragment de taille divisée par un facteur 40 après un traitement basique. L’utilisation de bases photo-latentes permet d’activer cette dégradation à la demande sous l’action de la lumière. Ces mêmes polymères ont de plus montré une plus grande susceptibilité à la dégradation en présence de bactéries, ce qui constitue un pas important vers une biodégradation de ces matériaux. Ces résultats sont parus dans la revue Macromolecules.

L'introduction de quelques % molaires de DOT dans des longues chaînes de PS permet de dégrader celles-ci en fragments courts potentiellement assimilables par des bactéries présentes dans le sol © Yohann Guillaneuf

Référence

Degradable Polystyrene via the Cleavable Comonomer Approach

Noémie Gil, Baptiste Caron, Didier Siri, Julien Roche, Slim Hadiouch, Douriya Khedaioui, Stephane Ranque, Carole Cassagne, Damien Montarnal, Didier Gigmes, Catherine Lefay et Yohann Guillaneuf, Macromolecules 19 juillet 2022

https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c00651

Contact

Yohann Guillaneuf
Chercheur à l'Institut de chimie radicalaire (CNRS/Aix-Marseille Université)
Christophe Cartier dit Moulin
Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication scientifique de l'INC
Stéphanie Younès
Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS
Anne-Valérie Ruzette
Chargée scientifique pour la communication - Institut de chimie du CNRS