Science des matériaux
Notre dépendance au pétrole pourrait diminuer non seulement grâce aux VE, mais aussi grâce aux plastiques durables
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Utiliser les cultures pour produire des plastiques durables
Lorsque nous pensons au pétrole, nous pensons principalement au carburant pour les voitures, les navires et les avions. Mais les pétrochimiques, dont une grande partie sont des plastiques ou des composants pour produire des plastiques, représentent 12 % de la demande mondiale de pétrole.
Alors que la consommation de pétrole est souvent considérée comme un polluant en raison des émissions de carbone, les microplastiques sont également une préoccupation croissante. La production de plastique à partir du pétrole contribue à l’émission à la fois de carbone et de microplastiques.
Ainsi, il est encourageant que de nouveaux matériaux plastiques plus durables apparaissent désormais à l’horizon.
Des chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse, de l’Université des sciences appliquées et des arts de la Suisse occidentale, et de l’Université de Manchester ont mis au point une source de plastiques durables à partir de déchets agricoles.
Plus précisément, ils ont créé des polyamides durables en utilisant un noyau sucré dérivé de déchets agricoles.
Pourquoi les polyamides ?
De nombreux produits plastiques, comme les nylons, une sous‑classe de polyamides, doivent être très durables. Pour cela, ils s’appuient sur une structure chimique spécifique appelée groupe aromatique.
Ces groupes aromatiques confèrent aux plastiques dureté, résistance et résistance aux hautes températures. Cependant, ils sont également souvent responsables du caractère non biodégradable et toxique des plastiques pour l’environnement.
Source: Master Organic Chemistry
Un polyamide qui utilise du sucre organique au lieu d’un composé aromatique serait beaucoup moins toxique. L’utilisation de ce sucre, provenant de déchets agricoles, dans le polyamide de l’EPFL renforce encore davantage l’aspect durable de leur découverte.
Un nouveau type de plastique
Ils ont mis au point un procédé sans catalyseur pour convertir le diméthylglyoxylate xylose, un sucre stabilisé issu directement de biomasse telle que le bois ou les épis de maïs, en polyamides de haute qualité. Le procédé repose sur une série d’étapes, commençant par le chauffage du matériau à 140 °C puis à 250–260 °C.
Source: Nature.com
Le procédé était également remarquablement efficace, avec un rendement atomique de 97 %, ce qui signifie que presque tout le matériau initial a été converti en polyamides.
Le matériau résultant a été testé afin d’en vérifier les propriétés chimiques et physiques.
Il s’est avéré aussi, voire plus, résistant à la chaleur que les polyamides traditionnels à base de combustibles fossiles. Il a également bien performé en termes de durabilité et de résistance mécanique (résistance à la traction).
Source: Nature.com
Une limitation identifiée par les chercheurs est que le matériau pourrait être sensible à une exposition à de grandes quantités d’eau, il ne pourrait donc pas être immergé. Il pourrait également être trop perméable à l’oxygène et à l’eau pour être utilisé dans des emballages alimentaires fins. Cependant, de nombreuses applications potentielles restent possibles.
Plastiques durables prêts pour une utilisation industrielle
Utilisabilité
Un autre facteur à prendre en compte pour les applications industrielles est la « processabilité ». Autrement dit, la facilité de transformer les composants de base du plastique brut en matériaux utiles.
Les chercheurs ont démontré que leur nouveau matériau peut être utilisé pour le moulage par injection à piston et l’extrusion à double vis à cisaillement élevé, deux méthodes courantes de mise en forme des plastiques.
Source: EPFL
Ils ont même testé ses propriétés pour l’impression 3D, en utilisant des réglages à haute température pour produire avec succès un étui d’iPhone 11.
Source: EPFL
Recyclage
Un autre test consistait à vérifier le potentiel de recyclage du nouveau matériau polyamide. Ils ont réutilisé le plastique via une extrusion à double vis à cisaillement élevé trois fois.
Les propriétés de traction sont restées presque identiques au cours des trois cycles.
La coloration a légèrement augmenté à chaque cycle. Cependant, si nécessaire, la couleur orange peut être entièrement évitée en ajustant le processus de production (purification améliorée des diamines), ce qui ne constituerait donc pas un problème majeur.
Dans l’ensemble, le recyclage mécanique a montré de bonnes performances, égales voire supérieures aux plastiques existants.
Enfin, ils ont également étudié la possibilité du recyclage chimique comme option de fin de vie pour le plastique. Cela repose fortement sur des acides puissants comme l’acide sulfurique, mais a démontré qu’il pouvait être entièrement recyclé avec des produits chimiques en fin de vie.
Une alternative compétitive en termes de coût
Pour que l’industrie adopte ce type de plastique durable (sans changements réglementaires), il devra être compétitif en termes de coût par rapport aux produits chimiques issus des combustibles fossiles déjà établis.
Le prix du nylon 66, le polyamide le plus courant, se situe généralement entre 3 000 $ et 7 000 $/tonne. Le prix du nouveau matériau serait dans une fourchette similaire, même en supposant des coûts relativement élevés pour la matière première.
Potentiellement, l’utilisation de matériaux provenant de sources moins chères comme les épis de maïs pourrait le rendre encore moins coûteux.
Source: Nature.com
En plus d’être compétitif en prix, le nouveau matériau émet beaucoup moins de carbone et de gaz à effet de serre que les produits existants sur le marché, surtout lorsqu’on utilise du xylose provenant d’épis de maïs plutôt que du xylose commercial.
Plastiques durables – une avancée nécessaire
De nouveaux types de bioplastiques, comme dans cette étude, sont nécessaires pour réduire la consommation de combustibles fossiles.
Cela représente une nouvelle étape, où de nouveaux types de molécules plastiques aux performances similaires ou supérieures sont créés au lieu d’essayer de recréer les produits chimiques plastiques traditionnels à partir d’une source biomatérielle.
Il est fort probable que le remplacement des groupes aromatiques provenant des combustibles fossiles par des sucres biologiques ne soit que le début.
- Empreinte carbone réduite.
- Moins de pollution.
- Valorisation des déchets agricoles.
- Possibilité de baisse des coûts ou amélioration des propriétés chimiques.
Le succès de l’équipe de l’EPFL (et de ses partenaires de recherche) devrait servir de modèle pour d’autres innovations visant à utiliser des biomatériaux afin de créer de nouveaux produits chimiques industriels utiles, plutôt que de simplement tenter de reproduire exactement les plastiques existants en utilisant des structures chimiques abondantes dans le pétrole.
