Les plastiques sont omniprésents dans notre vie de tous les jours. Leur production ne cesse de croître depuis 1950 et atteint aujourd’hui plus de 460 millions de tonnes par an. Malgré les préoccupations environnementales et sociétales liées aux déchets plastiques, leur consommation devrait plus que doubler d’ici à 2060 pour atteindre 1 231 millions de tonnes annuelles.
Aujourd’hui, il est difficile de se passer des plastiques, notamment pour des raisons d’hygiène et de sécurité alimentaire et médicale. Grâce à leurs propriétés ajustables, ce sont aussi les matériaux les plus produits au monde derrière le ciment et l’acier, avec des applications innombrables dans notre vie quotidienne : emballages, construction (adhésifs, revêtements, canalisations, fenêtres, isolation…), mobilité et transports (automobile, aviation, nautisme…), électronique et électrique (téléphone portable, appareils ménagers…), énergie, agriculture, santé et soins, textile entre autres. En Europe, la France figure parmi les pays les plus gros consommateurs de plastiques, avec 70 kilogrammes utilisés annuellement par habitant.
Mais, sur les environ 8,3 milliards de tonnes de plastiques produites dans le monde au cours des 70 dernières années, 50 % sont à usage unique, seulement 12 % sont incinérés et moins de 10 % sont recyclés. De nombreux déchets plastiques se retrouvent disséminés sur la terre, dans les océans, les rivières et les lacs, et persistent durant des dizaines voire des centaines d’années, ce qui met en danger les écosystèmes, la santé publique et la sécurité sanitaire au niveau mondial.
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En avril dernier, les pays du G7 se sont engagés à réduire à zéro leur pollution plastique d’ici à 2040. Au-delà des efforts législatifs et de ceux des citoyens, il s’agit d’aller vers une économie circulaire : supprimer les plastiques jetables et non recyclables et optimiser l’ensemble de leur cycle de vie (de la conception à la fin de vie).
Parmi les diverses solutions envisagées par les chercheurs, les polyhydroxyalcanoates, dits PHAs, constituent une famille de plastiques qui a le vent en poupe : les PHA naturels sont extraits des plantes, mais ils peuvent être aussi produits par biosynthèse ou par synthèse chimique. Actuellement, les chimistes des polymères optimisent les PHAs en les rendant notamment moins friables, thermiquement plus stables et surtout recyclables.
Qu’est-ce qu’un plastique « éco-conçu » ?
Pour développer des plastiques respectueux des écosystèmes, de la biodiversité et de la santé humaine, il nous faut non seulement limiter leur usage au strict nécessaire, favoriser leur réemploi, leur recyclage, mais aussi repenser leur conception, dans un contexte de circularité et de durabilité.
Les PHAs sont très variés. S’ils ne peuvent pas remplacer tous les plastiques traditionnels issus de ressources fossiles, ils présentent des propriétés intéressantes, qui permettent déjà leur utilisation, notamment comme plastiques à usage unique : emballages, sutures, pailles, cuillères, fourchettes et gobelets alimentaires.
Cette capacité à être modulés est importante, car c’est la variété de leurs propriétés intrinsèques qui a permis le déploiement extensif des plastiques traditionnels : légèreté, résistance, durabilité, malléabilité, et pour certains, bien connus du grand public et utilisés en très grand volume, de faibles coûts (polyéthylène, polystyrène, PVC, PET…)
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Mais alors, quand ils sont à usage unique, pourquoi les PHAs sont-ils plus vertueux que des plastiques issus de ressources fossiles ?
Pour deux raisons : d’abord, certains sont dérivés de la biomasse, c’est-à-dire que l’on peut les fabriquer à partir de canne à sucre, maïs, huiles de cuisson usagées par exemple. Ensuite, ils sont biodégradables — notamment dans l’eau de mer ou douce — et compostables (dans certaines conditions) : ils se dégradent dans tous les milieux (compost, sols, eau) de façon comparable ou plus rapidement que la cellulose.
En fin de vie, on peut bien sûr les incinérer (comme environ 12 % des déchets plastiques produits à l’échelle mondiale depuis 2015) ou les biodégrader.
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Et on sait aussi les recycler : les dernières avancées en recherche montrent qu’il est possible de préparer à grande échelle en laboratoire (quelques centaines de grammes), à partir de ressources renouvelables, des PHAs plus flexibles que ceux commercialisés actuellement, stables thermiquement, tout en étant dégradables. Leur dégradation permet de retrouver les monomères initiaux, à partir desquels les polymères peuvent être à nouveau produits, et ce sur plusieurs cycles, dans des conditions industrialisables douces. Précisons toutefois que ces nouveaux PHAs ne sont pas encore produits industriellement.
De tels PHAs présentent un cycle de vie en boucle fermée, un avantage significatif par rapport aux polyoléfines actuels (plastiques issus de ressources fossiles, pas (voire peu) dégradables) dont ils présentent des performances voisines, et ouvrent ainsi potentiellement la voie à une solution durable et circulaire à la problématique des plastiques.
Ainsi, le marché des PHAs produits à l’échelle industrielle devrait augmenter au cours des cinq prochaines années de 32,14 kilotonnes en 2023 à 92,41 kilotonnes en 2028, ce qui représente un marché potentiel de 195 millions de dollars.
Comment obtenir des PHAs aux propriétés suffisamment variées pour peu à peu remplacer les autres plastiques
Au sens chimique, les PHAs appartiennent à la famille des polyesters : ils présentent une fonction ester (C=O-O) qui est hydrolysable et permet ainsi la dégradation et le recyclage.
On les trouve dans la nature, où ils sont produits par une variété d’organismes, notamment par fermentation bactérienne des glucides ou des lipides (sucres ou huiles végétales). Ils servent de nutriments et de source d’énergie et font partie du métabolisme des organismes vivants (plantes, animaux, humains).
Les PHAs peuvent aussi être obtenus par synthèse chimique, par des réactions de « polymérisation » : des réactifs appelés monomères (les briques constitutives, éventuellement biosourcées) s’enchaînent les uns aux autres par des liens chimiques pour former le polymère. La voie chimique permet d’élargir et de diversifier la plate-forme des PHAs actuels, notamment en introduisant des substituants et/ou des groupes fonctionnels sur chaque unité de répétition qui constitue le squelette du polymère, ou encore en associant différents types de monomères au sein d’un même polymère (on parle alors de copolymère).
Dans nos dernières recherches développées à l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes (CNRS/Université de Rennes), nous avons par exemple montré que l’introduction de soufre dans les PHAs conduit à des polythioesters (présentant une fonction « thioester » (C=O-S) plus facilement dégradable que celle d’un polyester) avec une stabilité thermique distincte de celle de leurs analogues oxygénés — les PHAs.
Les réactions de polymérisation, conduisant à un polymère ou copolymère de microstructure chimique bien définie au sein duquel l’enchaînement de chacune des briques de monomères est contrôlé, peuvent être réalisées grâce à l’emploi de « catalyseurs » spécifiques (des composés organiques ou métalliques qui promeuvent la réaction chimique). Les propriétés thermiques (température de fusion, de dégradation) et mécaniques (dureté, souplesse, élongation…) de tels PHAs réguliers peuvent ainsi être modulées selon l’application envisagée.
Ainsi, nous avons récemment montré le rôle essentiel du catalyseur de polymérisation, combiné à la présence de groupes sur le monomère initial, pour obtenir des PHAs avec ces substituants positionnés avec régularité le long de la chaîne principale du polymère, qui présentent alors des caractéristiques thermiques ajustables.
Le projet BIOPOLYCAT est soutenu par l’Agence nationale de la recherche (ANR), qui finance en France la recherche sur projets. Elle a pour mission de soutenir et de promouvoir le développement de recherches fondamentales et finalisées dans toutes les disciplines, et de renforcer le dialogue entre science et société. Pour en savoir plus, consultez le site de l’ANR.