Explorer la science et les solutions derrière les plastiques dégradables #
Les matériaux polymères, en particulier les plastiques, sont essentiels à l’industrie moderne et à la vie quotidienne. Cependant, leur durabilité et leur résistance à la décomposition naturelle ont engendré d’importants défis environnementaux. Cet article explore les mécanismes de dégradation des plastiques, le développement des plastiques dégradables et les principales catégories de matériaux biodégradables.
Mécanismes de dégradation des polymères #
Les matériaux polymères peuvent subir diverses formes de dégradation dues à des facteurs externes rencontrés lors de la production, du traitement et de l’utilisation. Ceux-ci incluent :
- Fissuration thermique
- Fissuration mécanique
- Photolyse
- Fissuration par radiation
- Fissuration oxydative
- Fissuration biologique
- Fissuration chimique
Souvent, plusieurs types de clivage se produisent simultanément. Parmi eux, la fissuration oxydative est la plus répandue, surtout lorsque les polymères sont exposés à l’air. Contrôler ces facteurs pour prolonger la résistance structurelle et la durée de vie des produits polymères reste un défi clé en science des matériaux.
Les deux voies principales dans le développement des polymères #
Avec l’avancement rapide de l’industrie des plastiques, la recherche s’est concentrée sur deux directions principales :
- Améliorer la stabilité des polymères pour prolonger la durée de vie des produits et retarder la dégradation.
- Accélérer la dégradation pour répondre à la pollution environnementale causée par les déchets solides, surtout avec la généralisation des politiques de restriction des plastiques dans le monde.
Cette dernière a conduit au développement de divers matériaux dégradables, incluant les plastiques biodégradables, photodégradables, thermodégradables et chimiquement dégradables.
Le défi environnemental des plastiques #
Les plastiques sont devenus omniprésents, mais leur grande stabilité chimique signifie qu’ils résistent aux acides, aux alcalis, aux moisissures et à la corrosion. Lorsqu’ils sont enfouis, ils peuvent persister pendant des siècles, contribuant à l’accumulation des déchets et aux risques environnementaux. La nécessité de réduire la pollution plastique a stimulé la recherche d’alternatives, notamment pour les articles jetables comme les emballages et les boîtes à lunch.
Que sont les plastiques dégradables ? #
Les plastiques dégradables sont conçus pour se décomposer dans des conditions spécifiques. La stabilité des polymères plastiques repose sur leur structure moléculaire — de longues chaînes d’atomes de carbone liées par des liaisons carbone-carbone fortes. Cela rend la dégradation naturelle difficile. Cependant, trois principales méthodes de dégradation se sont révélées efficaces :
- Biodégradation
- Dégradation chimique
- Photodégradation
Les scientifiques ont synthétisé des plastiques adaptés à chaque méthode, tels que les plastiques biodégradables, chimiquement dégradables et photodégradables, contribuant tous à la lutte contre la « pollution blanche ».
Plastiques biodégradables #
Les plastiques biodégradables sont conçus pour se décomposer par l’action de micro-organismes et d’enzymes dans des environnements naturels comme le sol ou le compost. Finalement, ils se décomposent en dioxyde de carbone (CO2), méthane (CH4), eau (H2O), sels inorganiques minéralisés et nouvelle biomasse.
Applications :
- Protections pour jeunes plants qui se décomposent dans le sol après transplantation
- Fils chirurgicaux dégradables qui disparaissent dans le corps après quelques mois
Défis :
- Coûts de production élevés comparés aux plastiques conventionnels
Méthodes de production des plastiques biodégradables :
- Ajout d’amidon : Incorporer de l’amidon affaiblit la chaîne carbonée, la rendant plus digestible pour les microbes, ce qui entraîne une décomposition en eau et CO2.
- Amidon gélatineux et additifs : Ajouter 40 à 50 % d’amidon gélatineux ou d’amidon traité avec des agents de couplage organosiliciés et des acides gras insaturés. Cette méthode est coûteuse et lente, nécessitant 3 à 5 ans pour une décomposition complète en conditions de compostage.
- Amidon et polycaprolactame : Combiner ces ingrédients raccourcit le temps de dégradation, adapté aux produits comme les sutures chirurgicales, mais à un coût élevé.
Des efforts sont en cours pour réduire les coûts en utilisant des déchets naturels tels que les balles de riz et la pâte de bois.
Plastiques chimiquement dégradables #
Les plastiques chimiquement dégradables contiennent un emballage spécial — de l’amidon encapsulant des agents oxydants. Lorsqu’ils sont enfouis, les bactéries consomment l’amidon, laissant une coque poreuse. L’oxydant réagit alors avec les sels du sol et l’eau, rompant les liaisons carbone-carbone du plastique.
Avantages :
- Coût inférieur
- Dégradation efficace (poudre en environ 6 mois, dégradation complète en quelques années dans des conditions idéales)
Plastiques photodégradables #
Les plastiques photodégradables se dégradent sous l’exposition à la lumière solaire, en particulier aux rayons ultraviolets. La présence de groupes hydroxyles dans la chaîne polymère permet à la lumière UV de rompre les liaisons carbone-carbone, entraînant la rupture de la chaîne.
Caractéristiques :
- Laisse initialement des résidus et débris ; la dégradation complète prend plusieurs années
- Nécessite une exposition prolongée au soleil
- Utilisés couramment pour les sacs d’emballage alimentaire
Principales catégories de matériaux biodégradables #
1. PLA (Acide polylactique) #
- Source : Polymérisé à partir d’acide lactique
- Dégradation : Compostable à des températures supérieures à 55°C avec oxygène et micro-organismes, se décomposant en CO2 et eau
- Propriétés : Biosécuritaire, biodégradable, bonne résistance mécanique, facile à traiter
- Applications : Emballages, textiles, films agricoles, polymères biomédicaux
- Limite : Nécessite des conditions spécifiques de dégradation, mais reste économique parmi les plastiques biodégradables
2. PBS (Succinate de polybutylène) #
- Source : Condensation d’acide succinique et de butanediol (issu du pétrole ou de la fermentation biologique)
- Dégradation : Facilement décomposé par micro-organismes ou enzymes
- Propriétés : Bonne biocompatibilité, bioabsorbabilité, résistance à la chaleur
- Applications : Films d’emballage, vaisselle, emballages en mousse, bouteilles, films agricoles, matériaux à libération lente
- Variantes : PBAT et PBSA, avec des performances similaires mais des caractéristiques de traitement moins favorables
3. PBAT (Polybutylène adipate téréphtalate) #
- Source : Produit à partir d’acides aliphatiques et de butanediol (pétrochimique ou fermentation biologique)
- Propriétés : Thermoplastique, bonne ductilité, allongement, résistance à la chaleur, performance aux chocs, excellente capacité de formation de film
- Applications : Films d’emballage jetables, films agricoles
- Note : Largement utilisé et bien étudié parmi les plastiques dégradables
4. PHAs (Polyhydroxyalcanoates) #
- Types : Inclut PHA, PHB (Polyhydroxybutyrate)
- Dégradation : Se décompose complètement en acide β-hydroxybutyrique, CO2 et eau
- Propriétés : Haute température de déformation thermique, bonne biocompatibilité, mais plage de traitement étroite, faible stabilité thermique, grande fragilité
- Applications : Produits jetables, équipements médicaux, sacs d’emballage, sacs à compost, sutures médicales, dispositifs de réparation, pansements, broches osseuses, films antiadhésifs, stents