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L'industrie chimique a une longue tradition de production de polymères. Il s'agit de transformer de petits blocs de construction moléculaires en longues chaînes de molécules qui se lient entre elles. Les polymères sont à la base de toutes sortes de matières plastiques courantes, comme le PET et le polyuréthane.
Toutefois, si la formation des polymères est bien établie et fait l'objet de nombreuses recherches, les scientifiques ne se sont guère intéressées à la manière dont les chaînes de polymères sont décomposées (un processus appelé dépolymérisation) pour récupérer leurs éléments constitutifs individuels, les monomères. L'une des raisons en est que la décomposition des polymères est un processus complexe. Le fait qu'un polymère puisse être décomposé en ses éléments constitutifs dépend des différents procédés de fabrication des polymères utilisés. Une autre raison est que les procédés de dépolymérisation utilisés jusqu'à présent nécessitent beaucoup d'énergie, ce qui les rend économiquement non viables. À cela s'ajoute le fait que les polymères recyclés ne sont généralement utilisés que pour la fabrication de produits de faible valeur.
Le but est de décomposer les polymères
Athina Anastasaki, professeure de matériaux polymères à l'ETH Zurich, veut changer cela. Elle s'est fixé pour objectif de produire des polymères qui peuvent être facilement décomposés en leurs éléments constitutifs afin d'être entièrement recyclés.
La spécialiste des matériaux a pu faire un premier pas important dans cette direction: Une étude de son groupe vient d'être publiée dans le Journal of the American Chemical Society. Dans cette étude, Athina Anastasaki et ses collègues montrent qu'ils et elles peuvent décomposer certains polymères en leurs éléments constitutifs de base - les monomères - et les recycler pour les utiliser dans des matériaux destinés à d'autres applications.
Les polymères décomposés sont des polyméthacrylates (par exemple, le Plexi Glass) qui ont été produits à l'aide d'une technique de polymérisation spécifique appelée polymérisation réversible par addition-fragmentation et transfert de chaîne (RAFT). Cette méthode relativement nouvelle, qui suscite désormais l'intérêt de l'industrie, produit des chaînes polymères de longueur uniforme.
Premier succès
Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont réussi à récupérer jusqu'à 92% des éléments constitutifs des polyméthacrylates sans ajouter de catalyseur qui permettrait ou accélérerait la réaction. «Notre méthode pourrait être développée encore davantage pour impliquer l'utilisation d'un catalyseur. Cela pourrait augmenter encore plus la quantité récupérée», explique Athina Anastasaki.
Le groupe chimique présent à l'extrémité d'une chaîne de polymère est crucial pour la dégradation du polymère. En chauffant le mélange de solvants du polymère à 120°C, les chercheurs et chercheuses ont créé ce que l'on appelle des radicaux à l'extrémité d'une chaîne de polyméthacrylate, ce qui a déclenché la dépolymérisation. Un groupe de recherche de l'Université nationale australienne de Canberra a pu confirmer ces résultats par des calculs mathématiques.
Produire le même produit ou un produit différent
Selon Athina Anastasaki, les blocs de construction ainsi récupérés peuvent être utilisés pour produire le même polymère ou un produit complètement différent - un hydrogel insoluble qui peut également être décomposé en ses monomères. Les produits nouvellement créés sont de qualité similaire à ceux d'origine. Cela contraste avec les produits antérieurs fabriqués à partir de polymères recyclés.
Mais il y a un hic: «Les produits fabriqués à l'aide de la polymérisation RAFT sont plus chers que les polymères classiques», explique Athina Anastasaki. Pour remédier à cet inconvénient, elle et son groupe travaillent déjà à l'extension de la méthode pour des applications à grande échelle, ce qui la rendra plus compétitive et les produits obtenus moins chers. Les chercheurs et chercheuses ont également pour objectif d'augmenter la quantité récupérée et de récupérer tous les éléments constitutifs d'un polymère.
La spécialiste des matériaux cherche également à savoir si d'autres polymères peuvent être dépolymérisés. Elle s'intéresse particulièrement au polystyrène, un plastique très répandu, peu coûteux et utilisé dans de nombreux domaines de la vie quotidienne (Styrofoam).
La méthode ne résoudra pas le problème du plastique à court terme.
Même si cette nouvelle méthode suscite l'espoir de résoudre le problème des déchets plastiques de l'humanité, Athina Anastasaki écarte cette idée pour l'instant. Il n'existe pas de solution rapide au problème. Elle poursuit: «Il faudra beaucoup de temps et de recherches avant que le procédé ne s'impose dans l'industrie chimique.» Il ne permettra pas non plus de se débarrasser des déchets plastiques: les polymères actuels ne peuvent pas être décomposés de cette manière. De nouveaux polymères adaptés doivent être mis en circulation avant que leurs éléments constitutifs puissent être récupérés. Mais la méthode présente un avantage: aucune nouvelle usine chimique n'est nécessaire pour son introduction et son utilisation.
«Nous n'en sommes qu'au début de nos recherches sur la dépolymérisation. Il existe plus de 30'000 études sur le développement de nouvelles stratégies de polymérisation, et seule une poignée d'entre elles abordent le sujet de la récupération des monomères», explique Athina Anastasaki.