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10 découvertes 2015

[8] D'un polymère à l'autre

Chimie | Université du Québec à Montréal
30/11/2015
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La chimie des polymères entreprend maintenant un véritable virage écolo pour améliorer ailes d’avion et circuits électroniques.





«Du point de vue moléculaire, les thermoplastiques, avec leurs longues molécules entrelacées, ressemblent à des spaghettis. Un thermodurcissable, avec son réseau tridimensionnel de molécules fixées les unes aux autres, ressemble plutôt à des spaghettis gratinés.» Jérôme Claverie, professeur de chimie à l’Université du Québec à Montréal, parle comme un cuisinier qui présente sa nouvelle recette: un polymère thermodurcissable écolo.

L’univers des plastiques se divise en plusieurs grandes familles, dont deux sont plus connues. La première est celle des polymères thermoplastiques – les spaghettis moléculaires – qui fondent quand on les chauffe et qui redeviennent solides en refroidissant, de sorte qu’ils sont recyclables. Le polyéthylène, le polystyrène ou le polycarbonate sont tous des thermoplastiques.

La deuxième famille regroupe les polymères thermodurcissables (les spaghettis gratinés). Ceux-là, une fois durcis, ne peuvent pas être refondus, sinon ils brûleraient. On ne peut donc en faire usage qu’une fois. «Non seulement ils ne sont pas recyclables, précise Jérôme Claverie, mais leur fabrication elle-même est bien souvent polluante.»

Comme son nom le laisse deviner, un polymère est l’assemblage de plusieurs sous-molécules appelées monomères. «Dans les polymères époxy, donne en exemple le chimiste, le constituant de base est un bisphénol. Le plus connu est le bisphénol A, un perturbateur endocrinien qui a été banni des biberons et autres bouteilles, il y a quelques années.» Quant aux autres types de bisphénols (il en existe près de 20), ils pourraient bien, selon de récentes études, ne pas être aussi inoffensifs qu’on le croyait. Car aussi durable qu’il puisse paraître, un matériau en époxy, au fil du temps, libère graduellement des fragments de bisphénol dans le milieu. De plus, lors de sa fabrication, il a nécessité des produits toxiques, comme l’épichlorydrine.

Le professeur Claverie avait donc une double mission: découvrir un procédé chimique plus écolo pour produire des époxys et les produire sans bisphénol. Il existe déjà des époxys «verts» composés à 100% de matière biosourcée, c’est à-dire de biomasse d’origine végétale ou animale. Mais leurs propriétés mécaniques ne sont pas à la hauteur. «Ils sont trop mous», déplore le chercheur. Il fallait trouver donc un compromis pour faire de l’époxy par chimie verte.

Jérôme Claverie y est parvenu, grandement épaulé en cela par Basile Commarieu, alors doctorant. «Notre polymère peut contenir jusqu’à 60% de matériaux biosourcés, dit-il. Mais notre réussite, c’est que nous sommes arrivés à polymériser des norbornènes (les monomères qui remplacent les bisphénols). Ces norbornènes sont obtenus à partir du dicyclopentadiène, un sous-produit peu utilisé du pétrole, que les raffineries se contentent d’ailleurs souvent de brûler.»

Sans bisphénol, et à moitié biosourcé, le nouveau polymère est dur comme le verre, mais il se démarque surtout par sa fabrication réalisée sans solvants organiques dangereux ni composés organiques volatils. Comment est-ce possible? Le secret réside dans une méthode de polymérisation que les chercheurs ont baptisée rectifi­ca­tion-insertion, où les monomères de norbornènes se lient les uns aux autres selon un patron moléculaire en zigzag. Le polymère ainsi obtenu peut résister à des températures de 350 °C. Du jamais vu dans le merveilleux monde des époxys!
Ce n’est pas tout. Il est aussi exceptionnellement durable. «Contrairement aux époxys à base de bisphénol, explique Jérôme Claverie, il ne contient aucune unité hydrolysable, ce qui le préserve de la dégradation par l’humidité.»

Et cela a été possible parce que les chercheurs ont trouvé le bon catalyseur. Un catalyseur est une substance qu’on ajoute aux réactifs de base pour favoriser et accélérer la réaction chimique, et qui reste intacte à la fin de la réaction. «Ça, on le doit à Basile, qu’on surnomme “docteur Norbornène” depuis qu’il a obtenu son doctorat, blague le professeur. J’explorais l’idée depuis 20 ans, mais c’est lui, par sa ténacité et sa sagacité, qui a trouvé le catalyseur parfait pour cette polymérisation. Je n’aurais pas pu faire ça sans lui ni lui sans moi.»

Le catalyseur est à base de palladium, un métal rare. Il est très actif, mais coûte très cher. Malheureusement, il se perd dans le polymère à la fin de la réaction. Aussi les chercheurs planchent-ils déjà sur les moyens de le récupérer.

La découverte a été publiée dans la revue Chemical Science en avril 2015. Déjà, de grands industriels se sont informés auprès de Jérôme Claverie au sujet du nouveau polymère qu’on pourrait bien voir un jour dans des revêtements de plancher, des colles pour ailes d’avion ou des circuits électroniques de grande puissance dégageant beaucoup de chaleur. «À court terme, il se retrouvera sûrement dans vos téléphones cellulaires, annonce le chercheur, mais je ne peux pas dire où.» Secret industriel. C’est bon signe…



L’équipe de chercheurs: Jérôme Claverie et Basile Commarieu

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