Une avancée majeure dans le recyclage des silicones
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En raison de leur extraordinaire stabilité thermique et chimique, les silicones sont largement utilisés dans l'industrie, le secteur médical et les produits du quotidien. Cependant, c'est précisément en raison de ces propriétés que le recyclage des silicones était jusqu'à présent considéré comme extrêmement problématique. Des chercheurs de l’Institut de chimie de l’Université technique de Berlin ont désormais réussi à décomposer les chaînes polymères des molécules de silicone jusqu’à leur élément constitutif de base. Le diméthyldichlorosilane ainsi obtenu peut ensuite être réutilisé comme matière première pour la fabrication de nouveaux composés de silicone.
Le procédé, pour lequel une demande de brevet a déjà été déposée, repose sur une interaction complexe entre plusieurs cycles de réactions chimiques. L’équipe de chercheurs dirigée par le professeur Martin Oestreich l’a testé avec succès sur divers produits en silicone usagés issus du quotidien. En raison de son importance majeure pour la chimie verte et l’économie circulaire, cette publication a été sélectionnée par la prestigieuse revue spécialisée *Nature* pour une publication en ligne en « Fast Track ». Martin Oestreich est également membre du pôle d’excellence en catalyse UniSysCat de l’Université technique de Berlin.
Le marché des produits en silicone est gigantesque : il s’élevait à plus de 21 milliards d’euros en 2025 et les analystes l’estiment à plus de 33 milliards d’euros en 2033. Outre leur stabilité thermique et chimique, les silicones se distinguent également par leurs propriétés mécaniques exceptionnelles. De plus, ce matériau est imperméable à l’eau tout en étant perméable à l’oxygène. On retrouve des silicones dans de nombreux produits du quotidien, des moules à pâtisserie aux tétines de biberons, en passant par les joints d’étanchéité et les tuyaux médicaux. « En raison de ses propriétés de robustesse, le recyclage du silicone usagé est très difficile », explique le professeur Martin Oestreich, titulaire de la chaire Einstein, directeur du département « Chimie organique / Synthèse et catalyse » et membre du pôle d’excellence UniSysCat à l’Université technique de Berlin. « Jusqu’à présent, le silicone usagé était généralement incinéré ou mis en décharge. Lors du recyclage, le matériau est souvent traité mécaniquement ou décomposé chimiquement en siloxanes plus petits et de forme annulaire, à partir desquels on peut à nouveau fabriquer des silicones. Cependant, ces nouveaux silicones sont généralement de qualité inférieure à celle des silicones d’origine. »
La fabrication des silicones est extrêmement gourmande en énergie – le recyclage est donc tout à fait judicieux
Un recyclage complet des silicones serait souhaitable, d’une part parce que les indices se multiplient quant au fait que les silicones mis en décharge peuvent être nocifs pour l’environnement et la santé. D’autre part, la fabrication de silicones nécessite d’énormes quantités d’énergie. Le silicium élémentaire nécessaire à cet effet doit ainsi être extrait du sable de quartz à des températures de 2 000 degrés Celsius. À partir de ce silicium, on produit ensuite, par un procédé spécial, du diméthyldichlorosilane, le composant de base de la chimie des silicones. « Cette molécule peut être enchaînée pour former de longues chaînes, le chlore qu’elle contient étant remplacé par de l’oxygène », explique Oestreich. À l’instar de la chimie du carbone, ce ne sont pas ici des atomes de carbone, mais des liaisons entre le silicium (Si) et l’oxygène (O) qui constituent l’« axe » des polymères ainsi formés (Si–O–Si–O–Si). Pour ajuster les propriétés des différentes silicones, on peut faire varier la longueur des chaînes et y greffer diverses autres molécules sur les côtés.
La clé pour rompre les chaînes de silicone : l’ion silylium comme catalyseur et le phosgène
Un processus de recyclage idéal permettrait de produire, à partir de silicones usagés d’un certain type, de nouveaux silicones dotés de propriétés différentes. « Pour y parvenir, il est impératif que la molécule de base, le diméthyldichlorosilane, soit obtenue à la fin du processus de recyclage », explique Martin Oestreich. Pour cela, les chaînes Si–O–Si des silicones doivent être entièrement rompues. « Briser les liaisons silicium-oxygène est extrêmement difficile. C’est précisément pour cette raison que le silicone est un matériau si stable. » Les chercheurs y sont désormais parvenus, notamment grâce à l’utilisation de deux molécules : un « ion silylium » servant de catalyseur et le gaz phosgène. On appelle « ion silylium » les composés chimiques contenant un atome de silicium chargé positivement. Au cours d’une interaction complexe impliquant plusieurs cycles de réaction, l’ion silylium extrait un ion chlorure (Cl⁻) du phosgène (COCl₂). Il reste alors le composé COCl⁺. « Cette molécule possède alors le pouvoir chimique de rompre une liaison silicium-oxygène », explique Oestreich. Autre avantage du procédé : l’oxygène issu des chaînes Si–O–Si rompues s’échappe immédiatement sous forme de dioxyde de carbone (CO₂). « L’oxygène est donc lié dans un composé stable et évacué immédiatement sous forme de gaz. Il n’est ainsi plus disponible pour d’autres réactions. »
Le phosgène est toxique, mais il est utilisé en grandes quantités dans l’industrie
Le phosgène est un gaz toxique ; c’est pourquoi les chercheurs ne l’ont pas utilisé directement, mais ont préféré, pour des raisons de sécurité, recourir au triphosgène, un solide plus facile à manipuler, qui ne libère du phosgène qu’au cours du cycle de réaction. Cette transformation est également catalysée par l’ion silylium, qui remplit ainsi une double fonction. « L’utilisation du phosgène n’est toutefois pas du tout inhabituelle dans l’industrie chimique. Ainsi, des composés de départ importants pour les polyuréthanes, qui entrent dans la composition des mousses et des matériaux isolants, sont par exemple fabriqués à l’aide du phosgène », explique Martin Oestreich. Son groupe de travail s’attèle néanmoins déjà à la recherche d’alternatives au phosgène. Il s’agit également de développer des procédés permettant de purifier le diméthyldichlorosilane obtenu lors du processus de recyclage afin d’éliminer les résidus de phosgène, même les plus infimes.
Essais avec des produits du quotidien : un rendement très élevé lors du recyclage
Avec des températures de 80 degrés, les conditions de réaction sont modérées et le procédé peut donc être mis en œuvre sans consommation d’énergie importante. Les chercheurs l’ont déjà testé sur des moules à cupcakes en silicone, des tétines de biberons, des couvercles en silicone et d’autres produits en silicone. Les résultats se sont révélés prometteurs : pour certains produits, le rendement en diméthyldichlorosilane récupéré a atteint jusqu’à 99 % au bout de 24 heures. Un mélange de différents produits en silicone usagés a donné un rendement de 86 %.
La recherche fondamentale porte ses fruits – une demande de brevet a été déposée
« Notre succès prouve que la recherche fondamentale peut, à terme, déboucher sur des applications très concrètes auxquelles personne n’avait pensé auparavant », déclare Martin Oestreich. « Cela fait déjà 15 ans que nous menons des recherches sur les ions silylium, et ce n’est que depuis environ cinq ans que le recyclage des silicones nous a soudainement permis d’entrevoir un objectif d’application important pour ces recherches. » Le procédé a déjà fait l’objet d’un dépôt de brevet.
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