La substance naturelle 3-carène est un composant de l'huile de térébenthine, un flux de déchets de la production de cellulose à partir du bois. Jusqu'à maintenant, ce sous-produit a été en grande partie incinéré. Les chercheurs de Fraunhofer utilisent de nouveaux procédés catalytiques pour convertir le 3-carène en blocs de construction pour les plastiques biosourcés. Les nouveaux polyamides ne sont pas seulement transparents, mais ont également une stabilité thermique élevée.

Les plastiques sont une alternative utile au verre ou au métal pour un large éventail d'applications. Les polyamides jouent un rôle important dans la fabrication de composants structurels de haute qualité, car ils sont non seulement résistants aux chocs et à l'abrasion, mais aussi résistant à de nombreux produits chimiques et solvants. Aujourd'hui, les polyamides sont principalement produits à partir de pétrole brut.

Une alternative durable :les monomères issus de déchets de bois

L'Institut Fraunhofer d'ingénierie interfaciale et de biotechnologie IGB étudie une alternative durable pour la production de nouveaux plastiques haute performance à partir de terpènes trouvés dans le bois riche en résine. Les substances naturelles sont disponibles à partir de conifères tels que le pin, mélèze ou épicéa. Dans la production de pâte, dans lequel le bois est décomposé pour séparer les fibres de cellulose, les terpènes sont isolés en grande quantité comme sous-produit, huile de térébenthine.

Dans le projet commun « TerPa – Terpenes as building blocks for biobased polyamides », les chercheurs de la branche Straubing BioCat de Fraunhofer IGB ont maintenant réussi à optimiser la synthèse de lactames à partir du terpène 3-carène et à les convertir en un produit évolutif, processus concurrentiel à l'échelle potentiellement industrielle. Les lactames sont des blocs de construction pour la production de polyamides. Les experts de Straubing ont déjà pu montrer que des terpènes tels que le α-pinène, le limonène et le 3-carène sont des matières premières adaptées à la synthèse de lactames biosourcés.

Séquence de réaction économique en un seul pot

La conversion du 3-carène en lactame correspondant nécessite quatre étapes chimiques successives. La particularité de la solution Straubing en instance de brevet est que les conversions peuvent avoir lieu en tant que « séquence de réaction à un seul pot » dans un seul réacteur – la purification des produits intermédiaires n'est pas requise. « Nous y sommes parvenus en sélectionnant soigneusement les catalyseurs et les conditions de réaction - et cela permet d'économiser du temps et de l'argent, " explique Paul Stockmann, qui a développé et optimisé le processus prometteur.
"Même à l'échelle du laboratoire, notre procédé fournit plus de 100 grammes de monomère de lactame diastéréomériquement pur par cycle de production. Cette quantité est tout à fait suffisante pour les premières investigations de la production et l'évaluation des nouveaux plastiques, " a déclaré Stockmann. Autre avantage :aucun produit chimique toxique ou dangereux pour l'environnement n'est requis pour la synthèse du lactame.

Biosourcé, transparent, thermiquement stable

Néanmoins, ce n'est pas tout. En raison de la structure chimique particulière du 3-carène, les chaînes latérales du composé naturel inhibent la cristallisation du polymère résultant (voir encadré). "Nos polymères biosourcés sont donc majoritairement 'amorphes' et donc transparents ce qui est très inhabituel pour les polyamides biosourcés, " dit le Dr Harald Strittmatter, qui dirige le projet à l'agence BioCat de Straubing. Cela rend les nouveaux polyamides appropriés comme écrans de protection, par exemple dans les visières ou les lunettes de ski. Ils peuvent également être produits avec un apport énergétique considérablement moindre que les polyamides transparents à base de pétrole. Contrairement aux autres bioplastiques, qui sont principalement produits à partir de maïs, fécule de blé ou de pomme de terre, les polyamides biosourcés ne concurrencent pas la production alimentaire. Plutôt, ils ajoutent de la valeur à un flux de déchets qui, jusque là, a été brûlé pour la production d'énergie.

Autre avantage :les nouveaux polyamides biosourcés ont également d'excellentes propriétés thermiques. « Le point de transition vitreuse de nos polyamides est de 110°C. Ils peuvent donc également être à des températures élevées en permanence, par exemple en tant que composants dans le compartiment moteur des véhicules à moteur, " dit Strittmatter. Il est vrai que les polyamides fabriqués à partir de ressources fossiles ont des propriétés de température similaires. Cependant, en raison de leurs domaines aromatiques - qui n'existent pas dans les polyamides à base de 3-carènes - ils se décolorent avec le temps sous l'influence de la lumière UV, limitant leur potentiel pour les applications extérieures.

Les carenlactames confèrent aux PA12 et PA6 de nouvelles propriétés

Les scientifiques ont également polymérisé les lactames biosourcés avec d'autres molécules monomères disponibles dans le commerce – le laurolactame (monomère de PA12) et le caprolactame (monomère de PA6) – pour former des copolymères. La cristallinité et donc la transparence des nouveaux copolymères ont été significativement modifiées. En principe, les profils d'application des plastiques largement utilisés PA12 et PA6 sont potentiellement étendus.

Suite à une optimisation supplémentaire de la synthèse des monomères, collègues de l'Institut Fraunhofer pour l'environnement, Technologie de la sécurité et de l'énergie UMSICHT à Oberhausen transférera le processus à l'échelle pilote de 20 litres et produira de plus grandes quantités d'échantillons de lactames. Les propriétés des nouveaux polymères et copolymères seront ensuite étudiées plus en détail pour identifier les applications possibles. Les scientifiques ont également l'intention d'étudier la biodégradabilité du nouveau polyamide. Les chercheurs de Fraunhofer espèrent que les entreprises intéressées pourront ensuite transférer les résultats à l'échelle industrielle.

Dans les polymères cristallins, les chaînes polymères sont alignées de façon ordonnée. La lumière incidente est diffusée sur les structures cristallines de sorte que les plastiques apparaissent opaques ou troubles. Si, d'autre part, les chaînes polymères sont désordonnées, par exemple parce que les chaînes latérales interfèrent les unes avec les autres, on parle de polymères amorphes. La lumière incidente n'est pas diffusée ; les polymères apparaissent transparents.