Pour synthétiser le plastique, les petites molécules de monomère doivent être enfilées comme des perles dans un collier, créant de longues chaînes polymères.

Cependant, tous les plastiques – ou leurs polymères – ne sont pas créés égaux. Plus le polymère est long et résistant, plus le matériau est durable.

Les chercheurs de Cornell ont pris un monomère moyen et, en utilisant un catalyseur spécial, ils ont créé un polymère plus résistant qui peut former de longues chaînes. Le polymère peut ensuite être facilement dépolymérisé à l'état de monomère avec un catalyseur acide, résultant en un thermoplastique chimiquement recyclable qui rivalise avec les plastiques les plus populaires, polyéthylène et polypropylène.

Le papier de l'équipe, « Thermoplastiques chimiquement recyclables issus de la polymérisation par désactivation réversible des acétals cycliques, " publié le 13 août dans Science .

Les co-auteurs principaux sont l'ancien chercheur postdoctoral Brooks Abel et Rachel Snyder, doctorat '21.

"Idéalement, le polymère parfait est celui qui a des contraintes initiales très élevées et qui subit ensuite un très bon allongement, " a déclaré Geoffrey Coates, le professeur de l'Université Tisch au Collège des arts et des sciences, et l'auteur principal de l'article. "Les polymères dont vous avez probablement entendu parler, polyéthylène et polypropylène, ils ont juste de grandes propriétés. Beaucoup de nouveaux polymères ne se comparent pas bien à ceux qui ont fait leurs preuves. Notre polymère est en plein milieu du peloton. Il existe depuis 60 ou 70 ans, mais personne n'a été capable d'en faire de très longues chaînes et d'obtenir de très bonnes propriétés."

Dans une tournure inattendue, la découverte n'a pas émergé de la recherche conventionnelle sur les plastiques, mais plutôt de l'implication du groupe Coates avec le Joint Center for Energy Storage Research, une collaboration interdisciplinaire lancée par le département américain de l'Énergie pour réaliser des batteries de nouvelle génération. Coates et son équipe travaillaient au développement de polymères durables pouvant être utilisés dans les matériaux de stockage et de conversion d'énergie lorsqu'ils ont réalisé leur polymère-poly(1, 3-dioxolane) ou PDXL - était bien adapté pour créer un thermoplastique - un matériau dont les propriétés permettent de le fondre, recyclé et remoulé.

Les chercheurs ont construit leur polymère à partir d'un monomère acétal cyclique appelé dioxolane, qui est synthétisé à partir de matières premières potentiellement biorenouvelables de formaldéhyde et d'éthylène glycol. Les polyacétals sont de bons candidats pour créer des thermoplastiques recyclables car ils sont stables jusqu'à 300 degrés Celsius, mais se dépolymérisent à des températures relativement basses, généralement inférieures à 150 degrés Celsius, en présence d'un catalyseur acide. Ils sont également peu coûteux et peuvent être d'origine biologique. Cependant, les polyacétals n'ont pas connu d'utilisation antérieure car les chaînes polymères sont généralement trop courtes pour atteindre la résistance mécanique nécessaire aux applications commerciales.

"Nous voulions développer une nouvelle façon de fabriquer des polyacétals qui nous permettrait de contrôler la longueur des chaînes polymères, " dit Abel. " En fin de compte, nous avons pu fabriquer des polyacétals de très haut poids moléculaire qui étaient étonnamment ductiles et résistants par rapport à leurs plus fragiles, homologues de faible poids moléculaire."

"Si vous voulez faire une tasse qui ne craque pas lorsque vous la pliez, vous devez obtenir un poids moléculaire vraiment élevé, ", a déclaré Coates.

En utilisant un processus appelé polymérisation par ouverture de cycle cationique à désactivation réversible, les chercheurs ont pu connecter les monomères en longues chaînes de PDXL qui ont un poids moléculaire élevé et une résistance à la traction élevée.

Le thermoplastique résultant est suffisamment solide et flexible pour être utilisé pour des applications à grande échelle telles que des produits d'emballage. L'équipe a démontré ce potentiel en créant plusieurs éléments prototypes, y compris les pochettes de protection, des emballages moulés et des coussins d'air gonflables du type qu'Amazon utilise pour rembourrer ses cartons.

"À l'heure actuelle, près de 40 % du plastique est produit pour emballer des produits qui sont utilisés brièvement puis jetés, " a déclaré Snyder. " PDXL a la force nécessaire pour l'emballage, mais au lieu de le jeter, nous pouvons le collecter et le réutiliser en utilisant un processus de recyclage chimique très efficace. Cela en fait un candidat parfait pour une économie circulaire des polymères."

Le processus de recyclage est si efficace que le PDXL peut même être dépolymérisé à partir de mélanges complexes de déchets plastiques. L'équipe a mélangé le PDXL avec d'autres plastiques de base comme le polyéthylène téréphtalate, polyéthylène et polystyrène. Après avoir appliqué un catalyseur acide réutilisable et chauffé, ils ont pu récupérer 96% du monomère dioxolane pur, démontrant qu'il peut être facilement isolé des contaminants courants comme les colorants et les plastifiants. Le monomère récupéré a ensuite été repolymérisé en PDXL, illustrant la circularité du recyclage chimique du polyacétal.

Cela souligne l'attribut le plus important du polymère :sa durabilité.

« Il faut beaucoup de combustibles fossiles pour fabriquer ces plastiques, et l'empreinte carbone du polyéthylène ou du polypropylène commun est vraiment mauvaise. Nous devons donc être meilleurs dans la façon dont nous les fabriquons, " Coates a déclaré. " Si vous pouvez avoir un moyen de recycler chimiquement le polymère, ça ne va pas aller dans l'océan, droit? Et puis au lieu d'utiliser toute cette énergie pour extraire le pétrole du sol et le briser en petits morceaux et dépenser toute cette énergie, tout ce qu'on a à faire c'est de chauffer le polymère et boum, nous avons à nouveau un monomère."