Alors que de nombreuses villes et huit États ont interdit les plastiques à usage unique, les sacs et autres emballages en polyéthylène obstruent encore les décharges et polluent les rivières et les océans.

Un problème majeur avec le recyclage du polyéthylène, qui représente un tiers de toute la production de plastique dans le monde, est économique :les sacs recyclés se retrouvent dans des produits de faible valeur, tels que les terrasses et les matériaux de construction, peu incitatif à réutiliser les déchets.

Un nouveau procédé chimique développé à l'Université de Californie, Berkeley, convertit le plastique polyéthylène en un adhésif solide et plus précieux et pourrait changer ce calcul.

"La vision est que vous prendriez un sac en plastique qui n'a aucune valeur, et au lieu de le jeter, où il finit dans une décharge, vous le transformeriez en quelque chose de grande valeur, " dit John Hartwig, la chaire Henry Rapoport en chimie organique à l'UC Berkeley et chef de l'équipe de recherche. « Vous ne pourriez pas prendre tout ce plastique recyclé – des centaines de milliards de livres de polyéthylène sont produites chaque année – et le transformer en un matériau doté de propriétés adhésives, mais si vous en prenez une fraction et la transformez en quelque chose de grande valeur, cela peut changer l'économie de la transformation du reste en quelque chose de moindre valeur."

Pour la plupart des plastiques, recycler, c'est le broyer et le transformer en produits génériques, dans le processus de jeter de nombreuses propriétés minutieusement conçues dans le plastique d'origine, tels que la souplesse et la facilité de traitement. Et tandis que de nouvelles méthodes de recyclage peuvent décomposer les plastiques en leurs constituants chimiques pour les utiliser comme carburants ou lubrifiants, ces produits, trop, sont de faible valeur et peuvent être discutables sur le plan environnemental (un autre combustible fossile à brûler) ou avoir une courte durée de vie.

Pour rendre le recyclage plus attractif, les chercheurs et l'industrie des plastiques ont cherché des moyens de « recycler », c'est-à-dire convertir le plastique recyclé en quelque chose de plus précieux et de plus longue durée de vie.

Le procédé chimique développé par Hartwig et ses collègues conserve bon nombre des propriétés originales du polyéthylène, mais ajoute un groupe chimique au polymère qui le fait adhérer au métal :quelque chose que le polyéthylène fait normalement mal. Son équipe a montré que le polyéthylène modifié peut même être peint avec du latex à base d'eau. Le latex se décolle facilement du polyéthylène basse densité standard, appelé LDPE.

L'article décrivant ce processus sera publié en ligne le 17 décembre dans la revue Chimie et paraîtra dans l'édition imprimée de janvier.

"Nous sommes en mesure d'améliorer l'adhérence, tout en préservant tous les autres traits du polyéthylène que l'industrie trouve si utiles, " a déclaré le co-auteur Phillip Messersmith, la classe de 1941 professeur dans les départements de bio-ingénierie et de science et ingénierie des matériaux de l'UC Berkeley. « La transformabilité, la stabilité thermique et les propriétés mécaniques semblent être indemnes tout en améliorant l'adhérence. C'est délicat à faire. C'est vraiment là que nous avons des choses passionnantes à montrer."

Bien que le procédé ne soit pas encore économique pour une utilisation industrielle, Hartwig pense qu'il peut être amélioré et pourrait être le point de départ pour ajouter d'autres propriétés en plus de l'adhérence. Le succès laisse également entendre que d'autres catalyseurs pourraient fonctionner avec d'autres types de plastiques, comme le polypropylène que l'on trouve dans les bouteilles en plastique recyclées, produire des produits de plus grande valeur et économiquement attractifs.

Peaufiner les chaînes d'hydrocarbures

Hartwig est spécialisé dans la conception de nouveaux procédés catalytiques - dans ce cas, ajouter de petites unités chimiques à de grandes chaînes d'hydrocarbures, ou polymères, dans des endroits très spécifiques - pour créer des "polymères fonctionnalisés" avec des propriétés nouvelles et utiles. De telles réactions sont difficiles, car l'un des principaux arguments de vente des plastiques est qu'ils résistent aux réactions chimiques.

Pour ce projet, il voulait voir s'il pouvait ajouter un groupe hydroxyle - l'oxygène lié à l'hydrogène, ou OH - à une petite fraction des liaisons carbone-hydrogène le long de la chaîne polyéthylène.

"Le polyéthylène a généralement entre 2, 000 et 10, 000 carbones dans une chaîne, avec deux hydrogènes sur chaque carbone—vraiment, c'est un océan de groupes CH2, appelés méthylènes, ", a-t-il déclaré. "Nous avons puisé dans la littérature pour rechercher le catalyseur le plus actif que nous puissions trouver pour la fonctionnalisation d'une position méthylène."

Le catalyseur devrait travailler à haute température, puisque le solide plastique recyclé doit être fondu. Aussi, il devrait fonctionner dans un solvant non polaire, et donc capable de se mélanger au polyéthylène, qui est non polaire. C'est l'une des raisons pour lesquelles il ne colle pas aux métaux, qui sont polaires, ou facturés.

Hartwig et son associé postdoctoral Liye Chen ont opté pour un catalyseur à base de ruthénium (polyfluoré de porphyrine de ruthénium) qui satisfaisait à ces exigences et pouvait également ajouter des groupes OH à la chaîne polymère sans que l'hydroxyle hautement réactif ne brise la chaîne polymère.

La réaction, étonnamment, produit un composé de polyéthylène qui adhère étroitement au métal d'aluminium, vraisemblablement au moyen des molécules OH fixées le long de la chaîne hydrocarbonée du polyéthylène. Pour mieux comprendre l'adhérence, Chen a fait équipe avec Katerina Malollari, un étudiant diplômé du laboratoire de Messersmith, qui se concentre sur les tissus biologiques ayant des propriétés adhésives, en particulier, une colle produite par les moules.

Chen et Malollari ont découvert que l'ajout d'un pourcentage relativement faible d'alcool au polymère augmentait l'adhérence 20 fois.

"La catalyse a introduit des modifications chimiques à moins de 10% du polymère, encore amélioré considérablement sa capacité à adhérer à d'autres surfaces, " a déclaré Messersmith.

Faire adhérer le polyéthylène aux choses, y compris la peinture au latex, ouvre de nombreuses opportunités, il ajouta. Les emboîtures de hanche artificielles et les implants de genou intègrent souvent du polyéthylène avec des composants métalliques et pourraient être conçus pour mieux adhérer au métal. Le polyéthylène fonctionnalisé pourrait être utilisé pour enrober le fil électrique, fournir la colle qui colle d'autres polymères ensemble - dans des briques de lait, par exemple, ou fabriquer des composites plus durables de plastique et de métal, comme dans les jouets.

"L'utilité ici est de pouvoir introduire ces groupes fonctionnels, qui permettent de résoudre de nombreux problèmes anciens d'adhésion du polyéthylène :adhésion du polyéthylène à d'autres polyéthylènes ou à d'autres polymères, ainsi qu'au métal, " a déclaré Messersmith.

Hartwig prévoit plus d'opportunités pour la fonctionnalisation de polymères complexes, y compris le plastique le plus courant, polypropylène.

"Nous sommes l'un des seuls groupes au monde à avoir été en mesure d'introduire sélectivement un groupe fonctionnel dans des polymères hydrocarbonés à longue chaîne, " dit-il. " D'autres personnes peuvent briser les chaînes, et d'autres peuvent cycliser les chaînes, mais introduire réellement un groupe fonctionnel polaire dans les chaînes est quelque chose que personne d'autre n'a été capable de faire."