Nouvelle méthode chimique transforme le caoutchouc usagé en résines à haute valeur

Le caoutchouc est un matériau très précieux avec un marché mondial immense. Bien que son utilisation remonte à plusieurs siècles, il était principalement limité au caoutchouc naturel provenant des arbres. Le procédé moderne de vulcanisation, qui rend le caoutchouc durable et polyvalent, n’a été développé qu’en 1839.

Le chimiste Charles Goodyear a inventé le caoutchouc vulcanisé, qui est du caoutchouc naturel ou synthétique amélioré en le traitant avec du soufre, entre autres produits chimiques, et de la chaleur.

Des propriétés uniques telles que l’élasticité, la flexibilité, la ténacité, la résistance à la traction, la résistance au vieillissement, l’imperméabilité, l’absorption des chocs et la résistance à la chaleur sont ce qui rend le caoutchouc si précieux dans l’automobile, la construction, l’industrie, les soins de santé, les biens de consommation et l’emballage.

Cependant, les déchets de caoutchouc constituent un problème majeur contribuant à la crise des déchets massive, posant des défis à l’environnement, à la santé humaine et à l’économie. L’augmentation de la production de déchets résulte de l’urbanisation, du développement économique et de la croissance démographique.

Les pneus, en particulier, sont le principal contributeur aux déchets de caoutchouc. La production mondiale totale de pneus usagés représente 2 % du total des déchets solides annuels.

Le grave problème des déchets de caoutchouc

Environ un milliard de pneus sont mis au rebut chaque année dans le monde, et des millions finissent en décharges. Au Royaume-Uni seulement, on estime que 37 millions de pneus de voitures et de camions sont jetés chaque année. Pendant ce temps, aux États‑Unis, plus de 274 millions de pneus ont été mis au rebut en 2021, dont environ 20 % ont été déposés dans des sites d’élimination.

Ce n’est pas seulement un problème d’espace. L’accumulation de ces matériaux de déchets introduit des risques environnementaux.

Les produits en caoutchouc contiennent divers produits chimiques, y compris des antioxydants et des antiozonants, qui peuvent s’infiltrer dans l’environnement et présenter des risques pour la santé. L’élimination inappropriée des déchets de caoutchouc, en particulier les pneus, dans les décharges peut même entraîner une contamination des eaux souterraines due à la lixiviation de substances nocives et de métaux lourds.

Leur nature non biodégradable signifie qu’ils persistent dans l’environnement pendant de longues périodes, contribuant à la pollution et à la dégradation visuelle pendant des siècles. De plus, le caoutchouc est hautement inflammable, et les stocks de pneus usagés peuvent représenter un risque d’incendie important, libérant des polluants nocifs dans l’air.

Une étude de recherche financée par le gouvernement britannique en 2020 a suggéré que les particules de pneus sont une source majeure et supplémentaire de microplastiques et pourraient, en fait, être une source largement non documentée de microplastics dans les milieux aquatiques.

L’étude a été la première à identifier cela, démontrant que les particules de pneus peuvent être transportées directement vers l’océan via l’atmosphère ou transportées dans les égouts et les rivières par les eaux de pluie, où elles peuvent traverser le processus de traitement de l’eau.

« Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que les débris de pneus représentent une menace cachée pour l’environnement marin », mais peu d’études ont mesuré leur abondance dans les milieux aquatiques, a déclaré le professeur Richard Thompson OBE. L’étude fournit « une véritable compréhension de l’importance de l’usure des pneus comme source de microplastiques ».

Tous ces facteurs exigent une action urgente et un passage vers des pratiques de gestion des déchets durables.

Besoin de solutions efficaces de gestion des déchets de caoutchouc

Les déchets de caoutchouc, en particulier ceux provenant des pneus, constituent un problème croissant à l’échelle mondiale en raison de l’augmentation de la production et de la durée de vie limitée, créant un besoin de solutions efficaces de gestion et de recyclage des déchets.

« Les particules de pneus sont considérées comme l’une des plus grandes sources de pollution microplastique dans le monde », et nous avons besoin de « solutions plus systémiques peut-être via une conception améliorée des pneus de véhicules », déclare le professeur Richard Thompson OBE FRS, directeur de l’Institut marin.

Des recherches de l’année dernière, menées par l’Université de Plymouth et l’Université de Newcastle et financées par UK National Highways, montrent que les bassins de rétention peuvent aider à lutter contre la pollution des pneus. L’étude a également noté que les particules d’usure des pneus surpassaient les autres formes de microplastiques et étaient removed in far greater quantities.

Aujourd’hui, la présence de bassins de rétention et de zones humides a été constatée réduire la quantité de particules libérées par les pneus entrant dans les eaux d’environ 75 %, offrant ainsi une protection aux rivières et à l’océan.

En conséquence, les chercheurs ont recommandé que l’entretien des zones humides et des bassins de rétention devienne une priorité majeure afin de réduire le flux de particules de pneus des routes vers les rivières.

« Les bassins de rétention et les zones humides sont construits dans le cadre de projets autoroutiers principalement pour atténuer le débit et prévenir les inondations en aval, mais aussi pour éliminer les polluants. Ces mesures de drainage existantes le long de certaines parties du réseau routier stratégique du Royaume‑Uni ont le potentiel d’arrêter la propagation de la pollution des pneus. »

— Mme Florence Parker-Jurd, chercheuse associée

Pour obtenir des chiffres précis sur la quantité totale de particules d’usure de pneus collectées dans l’influent, l’effluent et les sédiments des zones humides et des bassins de rétention, l’étude a utilisé la méthode de pyrolyse-gaz chromatographie-spectrométrie de masse (Py‑GC‑MS) développée par Geoff Abbott de l’Université de Newcastle. Cette méthode a été développée pour identifier les particules dérivées des pneus dans l’environnement.

Une autre solution prometteuse est le recyclage, qui peut réduire l’impact environnemental de l’élimination des déchets de caoutchouc et créer de nouveaux produits à partir de matériaux recyclés.

Une application du caoutchouc recyclé est la construction, où il peut être utilisé dans les mélanges d’asphalte et de béton, les dalles de pavage et les surfaces de terrains de jeux. D’autres applications incluent le remplissage de gazon synthétique, les surfaces sportives, les carreaux de sol et l’isolation acoustique. En utilisant des procédés thermiques, le caoutchouc usagé peut même être converti en carburant ou en d’autres sources d’énergie.

La pyrolyse est un procédé populaire qui transforme les déchets de caoutchouc en quelque chose d’utile. Dans ce processus chimique, le caoutchouc est recyclé par décomposition à haute température. Il sépare les liaisons covalentes de la matière organique en l’absence d’oxygène.

En soumettant les déchets de caoutchouc à la décomposition thermique, des nanoparticules de noir de carbone recyclé (RCBN) et du pétrole/gaz sont produits, pouvant être utilisés comme carburant alternatif dans les fours à ciment.

Les déchets de caoutchouc recyclés obtenus par pyrolyse à partir de pneus usagés peuvent également être utilisés pour produire du béton électriquement conducteur. Le caoutchouc conducteur est utilisé dans les industries aérospatiale, militaire et automobile.

La gestion des déchets de caoutchouc, cependant, fait face à de sérieux défis. Tout d’abord, le volume énorme de déchets de caoutchouc générés à l’échelle mondiale rend leur gestion et leur recyclage très difficiles.

Ensuite, il y a la variété des produits en caoutchouc et leurs compositions chimiques complexes qui rendent le recyclage et la réutilisation difficiles. Même le procédé largement utilisé (pyrolyse) présente des inconvénients — il génère des sous‑produits nocifs comme les dioxines et le benzène, qui posent des risques pour la santé et l’environnement.

Il existe également un manque d’infrastructures et de technologies pour la collecte, le tri et le recyclage efficaces des déchets de caoutchouc. Les méthodes traditionnelles de gestion des déchets se concentrent sur la collecte, l’incinération et l’élimination des déchets de caoutchouc en décharges.

Dans ce contexte, il est essentiel de développer des techniques de gestion des déchets efficaces pour s’attaquer au problème croissant des déchets de caoutchouc.

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Un nouveau procédé chimique pour revaloriser les déchets de caoutchouc

Une nouvelle étude, financée par le Département de l’Énergie des États‑Unis (DOE) et publiée dans Nature, a présenté une nouvelle technique pour s’attaquer aux déchets de caoutchouc.

En raison du manque de stratégies pour le recyclage chimique des polymères dienes de base, comme ceux présents dans les pneus, une nouvelle méthode chimique a été développée pour décomposer les déchets de caoutchouc.

Une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Aleksandr Zhukhovitskiy, professeur assistant au département de chimie de l’UNC‑Chapel Hill, a appliqué l’amination C‑H ainsi qu’une stratégie de réarrangement de l’épine dorsale du polymère pour transformer le caoutchouc éliminé en précurseurs pour les résines époxy.

Cette déconstruction des matériaux offre une alternative innovante, pratique et durable aux méthodes de recyclage traditionnelles. Elle vise également à surmonter les défis des approches traditionnelles de dégradation du caoutchouc.

Le caoutchouc est constitué de polymères qui sont réticulés ensemble en un réseau tridimensionnel. Cette réticulation extensive au sein de la structure polymère rend le caoutchouc résistant, flexible et durable, mais cela le rend également résistant à la dégradation.

Il existe deux principales techniques conventionnelles pour décomposer le caoutchouc : la dévulcanisation, un procédé qui casse les liaisons soufrées mais érode les propriétés mécaniques du polymère, et la clivage des chaînes polymères à l’aide de méthodes catalytiques ou oxydatives, qui tend à produire des sous‑produits de faible valeur.

Aucune de ces méthodes ne fournit une solution efficace et évolutive pour revaloriser les déchets de caoutchouc. Pour dépasser ces obstacles, les chercheurs ont développé « une méthode qui décompose le caoutchouc en matériaux fonctionnels qui possèdent de la valeur même sous forme de mélange », a déclaré le co‑auteur principal Dr. Zhukhovitskiy.

Pour cela, les chercheurs ont développé un réactif diimide de soufre, qui est une imine du dioxyde de soufre, permettant jusqu’à 35 % d’amination allylique des polymères dienes et du caoutchouc. Le réarrangement cationique 2‑aza‑Cope a ensuite été appliqué pour décomposer les polymères.

L’introduction du réactif diimide de soufre permet de placer des groupes amine à des emplacements précis dans les chaînes polymères et prépare le terrain pour le réarrangement subséquent de l’épine dorsale. La réaction chimique est ce qui restructure l’épine dorsale du polymère. Cette réorganisation implique la déconstruction du caoutchouc en matériaux solubles fonctionnalisés à l’amine. Ce processus en deux étapes, tel que démontré par les chercheurs, fonctionne de façon exceptionnelle.

Lorsqu’ils l’ont testé sur un polymère modèle, les chercheurs ont pu le décomposer de manière considérable. Le poids moléculaire du polymère a été réduit à environ 400 g/mol contre 58 100 g/mol.

En appliquant leur méthode au caoutchouc usagé, ils ont pu le décomposer entièrement en six heures. Le caoutchouc post‑consommateur aminé s’est transformé en un matériau soluble contenant des groupes amine pouvant être utilisés pour produire des matériaux tels que les résines époxy.

Les résines époxy sont reconnues pour leurs excellentes propriétés d’adhérence. Elles sont utilisées dans les adhésifs, les revêtements, les mastics, l’isolation électrique et les réparations en génie civil. Les résines époxy sont généralement fabriquées à partir de produits chimiques dérivés du pétrole comme le bisphénol A et des agents de durcissement.

Selon la recherche, les thermodurcissables époxy préparés à partir des polymères solubles fonctionnalisés à l’amine obtenus présentent une résistance similaire à celle des résines commerciales dérivées du bisphénol A.

« Dans des moments comme celui‑ci, j’apprécie le pouvoir de la synthèse organique. Il est fascinant de voir la facilité avec laquelle la séquence développée de transformations organiques simples mais puissantes peut s’attaquer à une liaison C—C tenace et convertir les caoutchoucs à base de polybutadiène et de polyisoprène en résines époxy potentiellement précieuses. »

De plus, le recyclage chimique novateur des matériaux post‑consommateurs est très efficace comparé aux méthodes de recyclage conventionnelles, qui nécessitent souvent des catalyseurs coûteux ou des températures extrêmes.

Dans cette étude, les chercheurs ont obtenu leurs résultats à des températures douces, 35‑50 °C (95‑122 °F) en milieu aqueux, rendant le procédé économique et respectueux de l’environnement.

L’impact environnemental du procédé a été évalué à l’aide du facteur d’impact environnemental (E‑factor), « un indicateur simple mais puissant », qui calcule la quantité réelle de déchets en mesurant les déchets générés par rapport au rendement du produit.

En plus de comparer l’impact d’un nouveau procédé à ceux existants, le Dr Geoff Lewis, spécialiste de recherche au Center for Sustainable Systems de l’Université du Michigan, a expliqué que l’E‑factor met également en évidence « les étapes du procédé qui peuvent être améliorées alors que nous travaillons à transférer ce procédé du laboratoire à la pratique. »

L’E‑factor complet du procédé, incluant l’utilisation de solvants, était élevé. Cependant, son E‑factor simple était beaucoup plus bas, excluant les solvants. Cela met en lumière les parties du procédé qui peuvent être optimisées pour la durabilité.

Ainsi, l’équipe explore maintenant des systèmes de solvants plus verts et des conditions de réaction alternatives afin de réduire la génération de déchets.

« En exploitant le pouvoir de l’amination C–H et du réarrangement de l’épine dorsale, cette méthode offre une nouvelle voie pour transformer le caoutchouc post‑consommateur en matériaux à haute valeur, réduisant la dépendance aux décharges et minimisant les dommages environnementaux. »

Entreprise innovante

Goodyear Tire & Rubber Co  

Fondée en 1898, Goodyear est un important fabricant de pneus qui investit dans des alternatives durables au caoutchouc et des initiatives de recyclage.

En janvier 2022, l’entreprise a lancé un pneu de démonstration fabriqué à partir de matériaux durables. Le pneu comprend 13 ingrédients présentés à travers neuf composants différents et offre de solides performances globales.

Cela inclut le noir de carbone, utilisé pour augmenter la durée de vie du pneu et produit par la combustion de divers types de produits pétroliers. Cependant, pour réduire la circularité et les émissions de carbone, quatre types de dérivés sont désormais présentés, produits à partir d’huile d’origine végétale, de dioxyde de carbone, de méthane et de pétrole de pyrolyse de pneus en fin de vie (TPO).

L’huile de soja dans le pneu durable aide à maintenir la flexibilité de son composé caoutchouteux face aux variations de température, tandis que la silice de haute qualité, fabriquée à partir de résidus de coques de riz, améliore l’adhérence et réduit la consommation de carburant.

Le polyester utilisé dans les pneus est recyclé à partir de bouteilles post‑consommateurs, tandis que les résines de pin, qui sont bio‑renouvelables, ont remplacé les résines traditionnelles à base de pétrole.

À l’époque, la teneur en matériaux durables des pneus de Goodyear était de 70 %, avec un objectif déclaré de l’augmenter à 90 % en 2023, se rapprochant ainsi de son but de créer le premier pneu entièrement fabriqué à partir de matériaux durables.

L’entreprise a indiqué que le pneu de démonstration a passé tous les tests réglementaires et internes applicables. Comparé aux pneus fabriqués avec des matériaux traditionnels, le pneu de démonstration a également présenté une résistance au roulement plus faible, ce qui signifie de meilleures économies de carburant et une empreinte carbone réduite.

Il y a quelques mois, l’entreprise a présenté le pneu ElectricDrive Sustainable‑Material (EDS), marquant une étape décisive dans son objectif d’introduire le premier pneu de l’industrie composé à 100 % de matériaux durables d’ici 2030.

Dans le contexte du boom des véhicules électriques (VE) et de l’accent mis sur la durabilité, ces pneus EDS sont conçus spécifiquement pour les VE, offrant une longue autonomie, une résistance au roulement plus faible, moins de bruit et un freinage et une tenue sur sol mouillé supérieurs.

En ce qui concerne les finances de l’entreprise, Goodyear, dont la capitalisation boursière s’élève à 2,5 milliards de dollars et dont les actions se négocient actuellement à 8,85 $, en baisse de 2,33 % depuis le début de l’année, a annoncé un bénéfice net de 76 millions de dollars, soit 26 cents par action, comparé à une perte nette de 291 millions de dollars l’an dernier, et 114 millions de dollars de bénéfice net ajusté, soit 39 cents par action pour le quatrième trimestre 2024.

Au cours de cette période, les ventes de l’entreprise s’élevaient à 4,9 milliards de dollars, avec un volume de pneus de 43,6 millions d’unités. Pour l’ensemble de l’année, les ventes étaient de 18,9 milliards de dollars, avec un volume de pneus de 166,6 millions d’unités.

En 2024, Goodyear a déclaré un bénéfice net de 70 millions de dollars, soit 24 cents par action, comparé à une perte nette de 689 millions de dollars l’an dernier, et un bénéfice net ajusté de 302 millions de dollars, soit 1,05 $ par action.

Les flux de trésorerie provenant des activités opérationnelles durant cette période étaient de 698 millions de dollars, en baisse par rapport à 1,032 milliard de dollars l’année précédente. Le mois dernier, l’entreprise a conclu avec succès la vente de son activité de pneus hors route à The Yokohama Rubber Company, tandis que la cession de la marque Dunlop à Sumitomo Rubber Industries devrait se finaliser d’ici la mi‑année.

En évoquant sa première année chez Goodyear, le PDG Mark Stewart a exprimé sa satisfaction quant aux progrès réalisés en 2024, période pendant laquelle l’entreprise a dépassé les attentes, augmenté ses bénéfices et conclu des accords pour céder des actifs non essentiels.

« À l’avenir, nous restons engagés à atteindre nos objectifs élargis Goodyear Forward, incluant une nouvelle expansion des marges et une réduction significative de la dette. »

– CEO Stewart

Pour 2025, l’entreprise prévoit un « désendettement significatif », une expansion des marges et une optimisation de son portefeuille afin de créer de la valeur pour les actionnaires. Goodyear devrait générer des produits bruts dépassant 2 milliards de dollars et un ratio d’endettement net de 2,0 à 2,5 d’ici la fin de l’année.

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Conclusion

Les déchets de caoutchouc, principalement issus des pneus, représentent un grand défi qui nécessite notre attention urgente et des solutions efficaces. Les méthodes existantes comme la pyrolyse, bien que largement utilisées, produisent des sous‑produits dangereux. Par ailleurs, les méthodes de recyclage traditionnelles peinent à être efficaces et évolutives.

Étant donné que les déchets de caoutchouc constituent un problème croissant et critique, les chercheurs explorent de nouvelles voies, comme les bassins de rétention pour la filtration des microplastiques et les procédés chimiques impliquant l’amination C‑H et le réarrangement de l’épine dorsale pour la déconstruction du caoutchouc, offrant des solutions prometteuses et plus vertes.

Avec la poursuite de la recherche et l’adoption industrielle, ces avancées peuvent aider à réduire la pollution du caoutchouc, diminuer les déchets en décharge et transformer les déchets de caoutchouc en matériaux précieux !