Comment les déchets plastiques sont transformés en produits à plus forte valeur ajoutée
Des chimistes de l'ETH ont mis au point un procédé simple permettant de valoriser les déchets de polyéthylène et de polypropylène pour en faire des adhésifs hautement performants.
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Une équipe de chercheurs de l’ETH Zurich transforme les déchets de polyéthylène et de polypropylène – deux des plastiques les plus utilisés au monde – en un adhésif extrêmement résistant, mais aussi en bien d’autres choses encore.
Environ 450 millions de tonnes de plastiques sont produites chaque année dans le monde. La majeure partie de ce volume colossal n’est utilisée qu’une seule fois, avant de finir dans un incinérateur ou sur des décharges. C’est également le cas des « polyoléfines », qui comprennent notamment le polyéthylène (PE) et le polypropylène (PP). Sous forme de matériaux d’emballage et de films, elles représentent environ la moitié de notre consommation de plastique.
Downcycling ou forte consommation d’énergie
Bien que les polyoléfines puissent être fondues et remodelées, ce processus entraîne d’importantes pertes de qualité. Les colorants présents dans les déchets confèrent une couleur foncée au matériau recyclé, tandis que le processus de chauffage altère sa qualité : en conséquence, le matériau ne convient qu’à des applications de moindre qualité, telles que les pots de fleurs ou les dalles de pavage.
Jusqu’à présent, il s’est avéré impossible de décomposer sélectivement les polyoléfines en leurs éléments constitutifs de base – les monomères – à partir desquels de nouveaux polymères de haute qualité pourraient être synthétisés. Les oléfines, qui se composent exclusivement de carbone et d’hydrogène, ne contiennent pas les atomes d’oxygène, d’azote ou de chlore nécessaires à des réactions de clivage ciblées. À ce jour, la seule méthode envisageable est la décomposition aléatoire par un processus de chauffage très énergivore appelé pyrolyse. Ce procédé produit des matières premières dérivées du pétrole à partir desquelles les monomères doivent être reconstitués.
Upcyclage en adhésifs haute performance
Aujourd’hui, une équipe de chercheurs dirigée par Tae-Lim Choi, chimiste des polymères et professeur à l’ETH, a mis au point un procédé permettant de valoriser les polyoléfines en plastiques à plus forte valeur ajoutée, plutôt que de se contenter de les recycler d’une manière qui en réduit la valeur. Pour y parvenir, ils greffent sur les plastiques des chaînes polymères supplémentaires dotées de nouvelles fonctionnalités. L’ETH Zurich a breveté ce procédé et l’a proposé pour le Spark Award. Avec ce prix, l’université récompense la demande de brevet la plus prometteuse de l’année.
Hongsik Kim, chercheur senior au sein du groupe de Tae-Lim Choi et principal responsable du développement de cette méthode, a fabriqué des adhésifs – premier produit issu de ce procédé – à partir de sacs et de bouteilles en plastique courants. Leur adhérence sur divers matériaux tels que le métal, le verre ou le bois répond aux exigences d’un adhésif industriel utilisé pour les assemblages porteurs et soumis à de fortes contraintes dans la construction automobile ou la fabrication d’équipements. L’éventail des applications potentielles est toutefois bien plus large : les chaînes polymères supplémentaires permettent d’introduire dans les polyoléfines toute la gamme des fonctionnalités chimiques, depuis les groupes polaires qui interagissent à des degrés divers avec l’eau, en passant par les acides et les bases, jusqu’aux groupes chimiques capables de subir des réactions très spécifiques.
Les atomes de chlore réactifs activent les chaînes polymères
Les solvants chlorés constituent un composant chimique essentiel du procédé. Lorsqu’ils sont irradiés par une lumière à courte longueur d’onde, ces solvants peuvent générer des atomes de chlore individuels hautement réactifs, appelés radicaux. Ceux-ci transfèrent leur réactivité aux atomes de carbone des chaînes de polyoléfines, donnant ainsi naissance à des radicaux de carbone qui peuvent servir de point de départ à la synthèse de chaînes polymères supplémentaires.
L’idée d’utiliser des solvants chlorés pour créer des sites réactifs dans les chaînes de polyoléfines est issue d’une collaboration entre Choi et le groupe dirigé par Athina Anastasaki, professeure en polymères durables à l’ETH Zurich. Elle a appliqué ce principe au recyclage du verre acrylique, également connu sous le nom commercial de Plexiglas.
Simple et précisément contrôlable
Les principaux avantages de cette nouvelle méthode brevetée résident dans sa grande simplicité, dans le fait qu’elle ne nécessite pas de réactifs ou de catalyseurs spéciaux coûteux, et qu’elle ne requiert pas de températures de traitement élevées.
L’ensemble du processus se déroule en une seule étape : les déchets plastiques sont dissous dans un solvant chloré, puis les monomères nécessaires à la synthèse du polymère greffé souhaité sont ajoutés.
De plus, le procédé peut être contrôlé avec précision : « Nous sommes en mesure de contrôler le nombre de radicaux générés – et par conséquent le nombre de sites activés dans les chaînes de polyoléfine pour le greffage – en ajustant selon les besoins le degré de chloration du solvant et la longueur d’onde de la lumière », explique Kim.
Des plastiques dotés de nouvelles propriétés deviennent possibles
Outre l’adhésif qui vient d’être produit, de nombreuses autres applications de cette technologie sont envisageables, comme l’explique Choi : « L’adhésif est un produit de première génération. À l’avenir, il sera possible de créer des plastiques dotés de propriétés entièrement nouvelles. En principe, des polymères supplémentaires présentant toutes les fonctionnalités chimiques imaginables peuvent être greffés sur des polyoléfines. »
Depuis la publication du brevet il y a six mois, les chercheurs ont déjà noué de nombreux contacts avec l’industrie. Une collaboration spécifique porte sur les emballages alimentaires en polyoléfines, qui seront non seulement imperméables, mais empêcheront également l’oxygène de pénétrer. Ainsi, les aliments s’oxydent moins au congélateur (« se ternissent moins ») qu’avec les emballages actuels en polyéthylène et en polypropylène.
Un adhésif capable d’améliorer les produits recyclés
Et la fonctionnalité adhésive de ce premier produit ouvre également de nouvelles perspectives, selon Kim : « En tant qu’agent liant, ces matériaux pourraient, entre autres, lier du plastique recyclé de qualité inférieure pour en faire un matériau bien plus durable – et donc de meilleure qualité. »
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