Des chercheurs de l’Université de Tokyo ont développé un nouveau plastique polyvalent appelé VPR, qui est plus résistant, plus extensible et auto-réparateur grâce à la chaleur que les plastiques traditionnels. Il peut être remodelé à haute température et se biodégrade partiellement dans l’eau de mer. Ce matériau innovant pourrait révolutionner la recirculation des ressources et la réduction des déchets dans diverses industries, contribuant ainsi à la réalisation des objectifs de développement durable. Il offre une durabilité améliorée, une récupération de forme plus rapide et un recyclage chimique efficace, et l’équipe explore des applications pratiques dans les domaines de l’ingénierie, de la fabrication, de la médecine et de la mode. (Concept de l’artiste)
Un matériau amélioré peut conserver des formes complexes et se biodégrader dans l’eau de mer.
Des chercheurs de l’Université de Tokyo ont développé un plastique innovant qui surpasse la résistance et l’élasticité du type standard actuel et possède des propriétés d’auto-guérison lorsqu’il est chauffé.
Ce matériau, également à mémoire de forme et partiellement biodégradable, est le résultat de l’intégration de la molécule polyrotaxane dans une résine époxy vitrimer. Nommée VPR, cette nouvelle forme de plastique conserve sa structure à basse température grâce à de fortes liaisons chimiques internes.
La forme complexe d’une grue en origami qui a été restaurée à chaud après avoir été aplatie. Crédit : 2023, Shota Ando
Cependant, à des températures supérieures à 150 degrés Celsius, ces liaisons se recombinent et le matériau peut être reformé sous différentes formes. L’application de chaleur et d’un solvant décompose le VPR en ses composants bruts.
Le plonger dans l’eau de mer pendant 30 jours a également entraîné une biodégradation de 25 %, le polyrotaxane se transformant en une source de nourriture pour la vie marine. Ce nouveau matériau pourrait avoir des applications de grande envergure pour une économie plus circulaire afin de recycler les ressources et de réduire les déchets, de l’ingénierie et de la fabrication à la médecine et à la mode durable.
Lutter contre l’utilisation et les déchets du plastique
Malgré les campagnes mondiales visant à réduire l’utilisation et les déchets de plastique, il est difficile d’éviter ce matériau omniprésent. Des jouets et vêtements, en passant par les articles ménagers et électroniques, jusqu’aux véhicules et infrastructures, il semble aujourd’hui que cela se retrouve dans presque tout ce que nous utilisons.
Une surface VPR grattée à une profondeur de 0,1 millimètre avec un scalpel a pu guérir complètement en 60 secondes après avoir été chauffée à 150 degrés Celsius avec un pistolet thermique. Crédit : 2023, Shota Ando
Bien qu’utiles, le cycle de vie et l’élimination du plastique posent de nombreux problèmes. Développer des alternatives qui durent plus longtemps, peuvent être réutilisées et recyclées plus facilement, ou sont fabriquées à partir de sources respectueuses de l’environnement, est essentiel pour contribuer à résoudre ces problèmes et réaliser plusieurs des objectifs de développement durable des Nations Unies.
Propriétés améliorées de VPR
C’est dans cette optique que des chercheurs de l’Université de Tokyo ont créé un plastique plus durable, à base de résine époxy vitrimer. Les vitrimères sont une classe relativement nouvelle de plastiques, qui sont solides et résistants à des températures plus basses (comme les plastiques thermodurcis, utilisés pour fabriquer de la vaisselle résistante à la chaleur), mais qui peuvent également être remodelés plusieurs fois à des températures plus élevées (comme les thermoplastiques, utilisés pour les bouteilles en plastique). ).
Cependant, ils sont généralement fragiles et ne peuvent pas être étirés bien avant de se briser. En ajoutant une molécule appelée polyrotaxane, l’équipe a pu créer une version considérablement améliorée qu’elle a baptisée VPR (vitrimer incorporé au polyrotaxane (PR)).
Test de reprise de forme du plastique vitrimer au polyrotaxane, à gauche, et sans chauffage à 120 degrés Celsius sur plaque chauffante. Crédit : 2023, Shota Ando
« Le VPR est plus de cinq fois plus résistant à la rupture qu’un vitrimer de résine époxy classique », a déclaré le professeur adjoint de projet Shota Ando de la Graduate School of Frontier Sciences. « Il se répare également 15 fois plus vite, peut retrouver sa forme originale mémorisée deux fois plus vite et peut être recyclé chimiquement 10 fois plus vite que le vitrimer typique. Il se biodégrade même en toute sécurité dans un environnement marin, ce qui est nouveau pour ce matériau.
Le polyrotaxane suscite de plus en plus d’intérêt dans la science et l’industrie en raison de sa capacité à améliorer la résistance de différents matériaux. Dans cette étude, la résistance améliorée du VPR signifiait que des formes plus complexes pouvaient être créées et conservées même à basse température (comme la grue en origami dans la vidéo fournie avec cette version).
L’élimination ou le recyclage était également plus facile que pour les vitrimères sans polyrotaxane, a expliqué Ando : « Bien que cette résine soit insoluble dans divers solvants à température ambiante, elle peut être facilement décomposée au niveau de la matière première lorsqu’elle est immergée dans un solvant spécifique et chauffée. Il a également montré une biodégradation de 25 % après une exposition à l’eau de mer pendant 30 jours. En comparaison, le vitrimer sans PR n’a subi aucune biodégradation apparente. Ces caractéristiques en font un matériau idéal dans la société actuelle, qui exige le recyclage des ressources.
Applications pratiques et recherches futures
De l’ingénierie à la mode, de la robotique à la médecine, l’équipe envisage des applications à la fois pratiques et ludiques pour VPR.
« Juste pour donner quelques exemples, les matériaux d’infrastructure des routes et des ponts sont souvent composés de résines époxy mélangées à des composés tels que le béton et le carbone. En utilisant le VPR, ceux-ci seraient plus faciles à entretenir car ils seraient plus solides et guérissables grâce à la chaleur », a suggéré Ando. « Contrairement aux résines époxy conventionnelles, ce nouveau matériau est dur mais extensible, on peut donc également s’attendre à ce qu’il lie fortement des matériaux de dureté et d’allongement différents, comme cela est nécessaire pour la fabrication de véhicules. De plus, comme il dispose de capacités de mémoire de forme, d’édition de forme et de récupération de forme, vous pourrez peut-être un jour réorganiser la silhouette de vos vêtements préférés à la maison avec un sèche-cheveux ou un fer à vapeur.
La prochaine étape de l’équipe sera de travailler avec les entreprises pour déterminer la faisabilité de ses différentes idées de VPR, ainsi que de poursuivre ses recherches en laboratoire.
« J’ai toujours pensé que les plastiques existants étaient très difficiles à récupérer et à éliminer car ils sont subdivisés en fonction de leurs utilisations », a déclaré Ando. « Ce serait idéal si nous pouvions résoudre de nombreux problèmes mondiaux avec un seul matériau comme celui-ci. »
L’étude a été financée par NEDO, le programme JST-Mirai et le laboratoire d’innovation ouverte sur les technologies d’opérando-mesure avancées AIST-UTokyo.
