Recherche sur les matières plastiques Des points de rupture intégrés rendent ce polystyrène alternatif biodégradable

Le polystyrène fait partie des plastiques les plus importants au monde, mais il est jusqu'à présent considéré comme peu durable. Sa fabrication repose sur des matières premières fossiles, nécessite beaucoup d'énergie et ce matériau est rarement recyclé. Une équipe de recherche dirigée par le Centre Helmholtz Hereon a désormais mis au point un polystyrène alternatif qui contient des matières premières renouvelables, peut être fabriqué de manière économe en énergie et est biodégradable.

On le retrouve dans les emballages de protection des téléviseurs et des appareils électriques, dans les moulures décoratives et les plinthes utilisées dans l'aménagement intérieur des maisons, ainsi que dans les boîtes de Pétri. Le polystyrène est l'un des plastiques les plus importants au monde. Près de 20 millions de tonnes en sont produites chaque année. Ce matériau est principalement fabriqué à partir de pétrole brut et est difficilement recyclable : le polystyrène neuf est moins cher, tandis que les produits usagés sont généralement incinérés ou mis en décharge. À l'instar d'autres plastiques, le polystyrène est difficilement biodégradable dans la nature.

Les chercheurs ont désormais mis au point un polystyrène plus durable. « Les facteurs que sont les matières premières biodégradables, la consommation d’énergie et le recyclage constituent un grand progrès », déclare Phannaro Nhem, doctorant travaillant actuellement sous la direction du professeur Francesca Toma, directrice de l’Institut Hereon pour les matériaux fonctionnels au service du développement durable. Des chercheurs de l’Université technique de Brandebourg à Cottbus-Senftenberg (BTU), de l’Université libre de Berlin et de l’Université Helmut-Schmidt de Hambourg ont également participé à ces travaux.

50 % de matières premières renouvelables

Le polystyrène disponible dans le commerce est fabriqué en faisant réagir des molécules de styrène entre elles pour former du plastique. Au cours de ce processus, les molécules de styrène s'assemblent pour former une chaîne stable. Le récipient dans lequel se déroule la réaction doit être chauffé à cet effet. L'équipe a complété les molécules de styrène par un composé chimique, l'anhydride itaconique. Celui-ci peut être produit par fermentation à partir d'hydrates de carbone d'origine végétale, tels que le sucre. Le polystyrène contient alors environ 50 % de cette matière première d'origine biologique.

Le processus de fabrication est également devenu plus économe en énergie : au lieu d’utiliser des récipients de réaction chauffés, les chercheurs ont eu recours au rayonnement micro-ondes comme source de chaleur. « C’est comme dans une cuisine domestique. Réchauffer des aliments sur la cuisinière prend du temps et consomme beaucoup d’énergie. Les micro-ondes sont plus rapides », explique Phannaro Nhem. « Jusqu’à présent, la technologie des micro-ondes ne s’est pas encore largement imposée dans la synthèse des polymères », précise Francesca Toma. « Nos résultats montrent qu’elle pourrait s’imposer comme une alternative plus économe en énergie pour les processus de polymérisation contrôlés. »

Point de rupture prédéterminé pour le recyclage

De plus, l'équipe a utilisé le dibenzo[c,e]oxépane-5-thione (DOT) comme monomère, ce qui a permis d'intégrer des groupes thioesters dans le matériau. Ces éléments fonctionnent, au sein du réseau polymère, comme des points de rupture intégrés de manière ciblée. Cela permet ensuite de décomposer chimiquement le matériau en fragments plus petits. « Contrairement au polystyrène classique, notre variante se désagrège ainsi en petits fragments », explique Nhem. Les bactéries seraient également capables de métaboliser ces petits fragments de polystyrène, ce qui n’est pas le cas d’un polystyrène classique à structure compacte. « Ce nouveau polymère a été développé selon le principe du “Design for Degradation”, c’est-à-dire la dégradation contrôlée en fin de vie », ajoute Francesca Toma, « il ouvre ainsi la voie au polystyrène vers des cycles de vie fermés et vers l’économie circulaire. »