Thermodurcissables, qui comprennent les époxydes, polyuréthanes, et le caoutchouc utilisé pour les pneus, se retrouvent dans de nombreux produits qui doivent être durables et résistants à la chaleur, comme les voitures ou les appareils électriques. Un inconvénient de ces matériaux est qu'ils ne peuvent généralement pas être facilement recyclés ou décomposés après utilisation, parce que les liaisons chimiques qui les maintiennent ensemble sont plus fortes que celles trouvées dans d'autres matériaux tels que les thermoplastiques.

Les chimistes du MIT ont maintenant développé un moyen de modifier les plastiques thermodurcissables avec un liant chimique qui rend les matériaux beaucoup plus faciles à décomposer, mais leur permet tout de même de conserver la résistance mécanique qui les rend si utiles.

Dans une étude publiée aujourd'hui dans La nature , les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient produire une version dégradable d'un plastique thermodurcissable appelé pDCPD, le réduire en poudre, et utilisez la poudre pour créer plus de pDCPD. Ils ont également proposé un modèle théorique suggérant que leur approche pourrait être applicable à une large gamme de plastiques et d'autres polymères, comme le caoutchouc.

"Ce travail dévoile un principe de conception fondamental que nous pensons être général à tout type de thermodurcissable avec cette architecture de base, " dit Jérémie Johnson, professeur de chimie au MIT et auteur principal de l'étude.

Peyton Shieh, un boursier postdoctoral de l'American Cancer Society au MIT, est le premier auteur de l'article.

Difficile à recycler

Les thermodurcissables sont l'une des deux grandes classes de plastiques, avec les thermoplastiques. Les thermoplastiques comprennent le polyéthylène et le polypropylène, qui sont utilisés pour les sacs en plastique et autres plastiques à usage unique comme les emballages alimentaires. Ces matériaux sont fabriqués en chauffant de petites pastilles de plastique jusqu'à ce qu'elles fondent, puis les mouler dans la forme désirée et les laisser refroidir en un solide.

Thermoplastiques, qui représentent environ 75 pour cent de la production mondiale de plastique, peuvent être recyclés en les chauffant à nouveau jusqu'à ce qu'ils deviennent liquides, afin qu'ils puissent être remodelés dans une nouvelle forme.

Les plastiques thermodurcissables sont fabriqués par un procédé similaire, mais une fois qu'ils sont refroidis d'un liquide à un solide, il est très difficile de les remettre à l'état liquide. C'est parce que les liaisons qui se forment entre les molécules de polymère sont des liaisons chimiques fortes appelées liaisons covalentes, qui sont très difficiles à casser. Lorsqu'il est chauffé, les plastiques thermodurcissables brûlent généralement avant de pouvoir être remoulés, dit Johnson.

"Une fois qu'ils sont fixés dans une forme donnée, ils sont dans cette forme toute leur vie, " dit-il. " Il n'y a souvent pas de moyen facile de les recycler. "

L'équipe du MIT voulait développer un moyen de conserver les attributs positifs des plastiques thermodurcissables - leur résistance et leur durabilité - tout en les rendant plus faciles à décomposer après utilisation.

Dans un article publié l'année dernière, avec Shieh comme auteur principal, Le groupe de Johnson a signalé un moyen de créer des polymères dégradables pour l'administration de médicaments, en incorporant un bloc de construction, ou monomère, contenant un groupe éther silylique. Ce monomère est réparti de manière aléatoire dans tout le matériau, et lorsque le matériau est exposé à des acides, socles, ou des ions tels que le fluorure, les liaisons silyléther se rompent.

Le même type de réaction chimique utilisé pour synthétiser ces polymères est également utilisé pour fabriquer certains plastiques thermodurcissables, dont le polydicyclopentadiène (pDCPD), qui est utilisé pour les panneaux de carrosserie dans les camions et les autobus.

En utilisant la même stratégie de leur article de 2019, les chercheurs ont ajouté des monomères d'éther de silyle aux précurseurs liquides qui forment le pDCPD. Ils ont découvert que si le monomère d'éther de silyle constituait entre 7,5 et 10 pour cent du matériau total, Le pDCPD conserverait sa résistance mécanique mais pourrait être décomposé en une poudre soluble lors de l'exposition aux ions fluorure.

"C'était la première chose excitante que nous avons trouvée, " dit Johnson. " Nous pouvons rendre le pDCPD dégradable sans nuire à ses propriétés mécaniques utiles. "

Nouveaux matériaux

Dans la deuxième phase de l'étude, les chercheurs ont essayé de réutiliser la poudre résultante pour former un nouveau matériau pDCPD. Après dissolution de la poudre dans la solution de précurseur utilisée pour fabriquer le pDCPD, ils ont pu fabriquer de nouveaux thermodurcissables pDCPD à partir de la poudre recyclée.

"Ce nouveau matériau a presque indiscernable, et à certains égards amélioré, propriétés mécaniques par rapport au matériau d'origine, " dit Johnson. " Montrer que vous pouvez prendre les produits de dégradation et refaire le même thermodurcissable à nouveau en utilisant le même processus est passionnant. "

Les chercheurs pensent que cette approche générale pourrait également être appliquée à d'autres types de chimie thermodurcissable. Dans cette étude, ils ont montré que l'utilisation de monomères dégradables pour former les brins individuels des polymères est beaucoup plus efficace que l'utilisation de liaisons dégradables pour « réticuler » les brins ensemble, qui a déjà été essayé. Ils pensent que cette approche de brins clivables pourrait être utilisée pour générer de nombreux autres types de matériaux dégradables.

Si les bons types de monomères dégradables peuvent être trouvés pour d'autres types de réactions de polymérisation, cette approche pourrait être utilisée pour fabriquer des versions dégradables d'autres matériaux thermodurcissables tels que les acryliques, époxydes, silicone, ou caoutchouc vulcanisé, dit Johnson.

Les chercheurs espèrent maintenant former une entreprise pour licencier et commercialiser la technologie. Le MIT a également accordé à Millipore Sigma une licence non exclusive pour fabriquer et vendre les monomères d'éther de silyle à des fins de recherche.

Patrick Casey, un nouveau consultant produit chez SP Insight et un mentor avec le Deshpande Center for Technological Innovation du MIT, a travaillé avec Johnson et Shieh pour évaluer la technologie, y compris la réalisation d'une modélisation économique préliminaire et d'une étude de marché secondaire.

« Nous avons discuté de cette technologie avec certains des principaux acteurs de l'industrie, qui nous disent qu'il promet d'être bon pour les parties prenantes tout au long de la chaîne de valeur, " dit Casey. " Les fabricants de pièces reçoivent un flux de matériaux recyclés à faible coût; fabricants d'équipements, comme les constructeurs automobiles, peuvent atteindre leurs objectifs de durabilité ; et les recycleurs tirent une nouvelle source de revenus des plastiques thermodurcissables. Les consommateurs voient une économie de coûts, et nous obtenons tous un environnement plus propre."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.