Des bioplastiques composites robustes conçus pour être décomposés
Les composites thermodurcissables sont largement utilisés dans des applications qui doivent résister à d’importantes pressions mécaniques et thermiques, tels les composants structurels des avions et des éoliennes. Ces matériaux doivent leur robustesse à leur structure unique, qui combine une matrice polymère thermodurcissable à des fibres de renforcement, généralement en verre ou en carbone. Une fois irréversiblement «durcie», cette structure tridimensionnelle réticulée confère résistance et rigidité aux produits, leur permettant de conserver leur forme et de ne pas fondre. Leur production repose toutefois sur des matières premières d’origine fossile, qui peuvent être toxiques. Leur recyclage pose également problème, et les déchets annuels de composites de carbone et de fibres de verre provenant des seuls secteurs de l’aéronautique et des éoliennes devraient atteindre 840 300 tonnes d’ici 2050. «Les techniques de recyclage actuelles sont généralement soit gourmandes en énergie, donc coûteuses et non durables, soit elles dégradent considérablement la qualité, ce qui en limite les applications. De plus, ces techniques privilégient trop souvent la récupération des fibres précieuses, tout en rejetant la matrice polymère, ce qui limite leur réutilisation», explique Laura Matesanz, coordinatrice du projet ESTELLA, de la Fondation Cidaut en Espagne. Afin de proposer une alternative plus durable, ESTELLA a adopté les réseaux covalents adaptatifs (CAN), biosourcés recyclables, pour redessiner la structure réticulée des matériaux thermodurcissables traditionnels.
L’approche CAN-do
Composé de 13 institutions et sociétés de recherche issues de huit pays européens, le premier défi d’ESTELLA a été d’incorporer les CAN dans des résines époxy pour former des matrices tridimensionnelles thermodurcissables. Les CAN sont des candidats idéaux, car ces structures polymères sont constituées de liaisons chimiques qui peuvent se rompre et se reformer sous l’effet de stimuli spécifiques, tels que la chaleur, la lumière UV ou les changements d’acidité, ce qui signifie qu’ils peuvent être plus facilement manipulés, tant pour la production que pour le recyclage. Dans un premier temps, la réaction de Diels-Alder a permis de «déverrouiller» les liaisons chimiques des CAN et de les intégrer dans les résines époxy. La tâche suivante a consisté à trouver les fibres biosourcées les plus compatibles avec les matrices. Après avoir évalué diverses options, le choix s’est porté sur les fibres de chanvre et la nanocellulose. Pour garantir la bonne configuration des matériaux, les composites ont été fabriqués en une série de plaques et soumis à divers tests afin de garantir les propriétés essentielles telles que la résistance à la traction et la flexibilité. Afin d’étudier la manière dont les matériaux résisteraient à des cas d’utilisation réels, l’équipe travaille actuellement à la production de prototypes, dans un premier temps pour des applications de mobilité et de construction. Un repose-pieds pour scooters basé sur un composite de fibres de chanvre et un profil de fenêtre avec un composite à base de fibres de nanocellulose sont actuellement en cours de fabrication. L’équipe adapte également diverses techniques préexistantes afin d’identifier les meilleures options de recyclage. L’équipe explore également le recyclage mécanique, principalement axé sur des approches chimiques visant à modifier la structure moléculaire des composites. «Le maintien des propriétés mécaniques et thermiques d’origine des matériaux recyclés les rend mieux réutilisables, c’est la raison pour laquelle nous affinons nos techniques de recyclage de manière à conserver les fibres et la matrice polymère», ajoute Laura Matesanz.
Garantir la durabilité et la compétitivité
Les composites thermodurcissables biosourcés recyclables contribueront à réduire la dépendance de l’Europe à l’égard des ressources fossiles vierges tout en minimisant les déchets, soutenant ainsi des initiatives européennes de premier plan telles que le pacte vert pour l’Europe et le plan d’action en faveur de l’économie circulaire. L’équipe effectuera des analyses du cycle de vie de l’impact de sa solution sur le changement climatique, l’épuisement des ressources fossiles et l’acidification terrestre par rapport aux procédés conventionnels, afin de quantifier la contribution environnementale d’ESTELLA. Elle mènera également des études de faisabilité économique, portant notamment sur l’extensibilité des processus de fabrication et de recyclage requis. «Mettre des matériaux plus durables à la disposition de secteurs européens tels que les transports et la construction, mènera à des pratiques industrielles plus responsables. Cela permettra non seulement de créer des produits qui profitent aux individus et à la planète, mais également de positionner les entreprises européennes en première ligne de la transition écologique», conclut Laura Matesanz.
Mots‑clés
ESTELLA, polymère, fibres, turbine, avion, thermodurcissable, recyclage, composites, déchets, résine époxy, chanvre, nanocellulose, biosourcé, scooter, fenêtre
