Technologie

Le plastique, c’est (pas) fantastique ?

(1^e partie)

Virginie CHANTRY • virginie.chantry@gmail.com

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Le 7 octobre dernier, GreenWin (1) et Plastiwin (2) notamment organisaient, à Namur, une journée de conférence dédiée à la circularité et à l’écoconception – soit le fait d’intégrer des critères environnementaux dès les prémices de la conception – des plastiques. Cet évènement s’inscrivait dans le cadre de la stratégie d’économie circulaire «Circular Wallonia» et de la démarche «Circular Design in Plastics». Fondamentaux, concepts clés et défis de la plasturgie circulaire sont quelques-uns des thèmes abordés au cours de ce colloque riche en informations et en échanges. Mais attardons-nous tout d’abord sur l’atome que l’on retrouve dans tous les plastiques, le carbone, et voyons ce qu’il a de si particulier

Le plastique fait partie intégrante de notre quotidien: vêtements, jeux, emballages, ustensiles de cuisine… On le retrouve partout. Savez-vous que le mot «plastique» provient du latin plasticus et du grec ancien plastikos qui signifie «relatif au modelage» ? En ce qui nous concerne, l’adjectif plastique fait référence à une propriété de la matière, celle d’être modelable, alors que le substantif désigne un matériau organique que l’on peut mouler, modeler en une forme particulière selon son usage. La circularité, idée selon laquelle rien ne doit être jeté, implique que tout produit en fin de vie doit entrer dans une nouvelle boucle économique ou dans un nouveau cycle de vie, défini comme l’ensemble des étapes par lesquelles passe un produit, de sa conception jusqu’à la fin de sa vie (incluant extraction des matières premières, production, distribution et utilisation notamment). Quant à l’économie circulaire, il s’agit d’un modèle consistant à limiter l’utilisation des ressources, la production de déchets et l’impact sur l’environnement au cours de ce cycle.

À l’heure actuelle, toutes les matières plastiques reposent sur la chimie du carbone, C en symbole chimique. S’il est vrai qu’utiliser cet atome pour créer des matériaux constituait un gage d’innovation dans les années 80, la tendance s’est complètement inversée depuis et le carbone semble avoir obtenu le statut «d’ennemi public numéro 1»: il faut décarboner à tout prix. Selon Aurore Richel, Professeure de chimie à l’ULiège sur le site de Gembloux Agro-Bio Tech et première experte intervenante de la journée dédiée à la plasturgie circulaire, il y a confusion. Dans la tête du grand public, carbone rime avec «pollution» et «fossile». C’est pourtant réducteur, le carbone étant au cœur de la chimie du vivant et de synthèse.

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Quatrième atome le plus abondant dans l’Univers après l’hydrogène, l’hélium et l’oxygène, le carbone n’est pas très foisonnant sur Terre, où il occupe la 15^e place. Mais il est indispensable à la vie sur notre planète. Il existe sous diverses formes en proportions différentes. La plus abondante (plus de 99,9%) est le carbone minéralisé emprisonné dans les roches (diamants, graphite) ou les sédiments et donc difficilement accessible. Ensuite, avec 0,05%, vient le dioxyde de carbone, ou CO₂, issu de la respiration des êtres vivants et de la combustion des énergies fossiles. On le retrouve dans l’atmosphère mais également dans les plans d’eau sous forme dissoute. Le carbone fossile (charbon, gaz naturel, pétrole…) provient de tout ce qui est mort et est présent à hauteur de 0,003%. Enfin, le moins abondant avec 0,001% est le carbone renouvelable que l’on trouve dans tout ce qui vit (plantes, animaux, virus, organes, cheveux…). Et depuis quelques années, le carbone a également été identifié sous une 5^e forme, celle de microparticules issues de la décomposition des matières plastiques en fin de vie se répandant dans l’environnement. On ignore encore comment ce nouveau réservoir affecte les autres. En effet, le carbone circule sous ses diverses formes entre l’air, l’eau, le sol, les êtres vivants… On parle de «cycle naturel du carbone». Sa répartition est donc variable alors que la quantité totale disponible sur Terre reste constante.

Par ailleurs, le mécanisme de la photosynthèse joue un rôle primordial dans le cycle du carbone. Grâce à la lumière du Soleil, l’eau absorbée par certains végétaux via leurs racines et le CO₂ de l’air capté en général par leurs feuilles réagissent et produisent de l’oxygène ainsi que de l’énergie sous forme de glucose. Ce dernier permet la synthèse de matière organique via la construction de la paroi cellulaire de ces végétaux. L’être humain, entre autres espèces, se nourrissant de certaines plantes, le carbone circule du monde végétal vers le monde animal. À la mort d’un animal, son corps se décompose et se fossilise ensuite peu à peu. En outre, depuis un siècle, nous savons que les actions des humains ne sont pas non plus sans effet sur le cycle du carbone: nous utilisons des énergies fossiles pour nous déplacer, chauffer nos maisons…, ce qui modifie le réservoir fossile.

«Roi des éléments», le C est indispensable à la vie sur Terre et possède des propriétés chimiques uniques qui en font un composant essentiel dans la production des polymères et matières plastiques

Au-delà de son incontournabilité, le carbone possède des propriétés uniques. Il peut former des liaisons avec à peu près n’importe quel atome, soit de façon linéaire, soit au travers de molécules ayant un certain volume. De plus, il a la possibilité de se lier avec lui-même, ce qui est rare. On parle alors de «caténation». Cela en fait un atome essentiel et irremplaçable dans la production des polymères (3) qu’ils soient naturels comme la cellulose ou synthétisés comme les nanotubes de carbone. C’est de cette famille que font partie toutes les matières plastiques. Pour ces raisons, le carbone est le «roi des éléments» et tenter de l’évincer des matières plastiques ne semble donc pas avoir de sens.

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Il existe 3 types de ressources de carbone dont l’homme peut faire usage pour fabriquer du plastique:

– Le carbone renouvelable (biosourcé): la matière végétale étant constituée de 50% en masse de carbone, il est logique de s’y intéresser comme base pour les matières plastiques, que l’on appelle alors bioplastiques. Ces derniers sont en fait déjà présents dans la nature. Citons par exemple la pectine et le collagène qui sont des biopolymères (issus d’organismes vivants ou synthétisés à partir de ressources renouvelables et/ou de déchets organiques) dans lesquels la propriété de caténation du carbone est la plus développée, mais aussi la soie et l’amidon. Soit on conserve intacte la structure de ces polymères naturels, soit on les décompose en molécules plus légères pour reconstruire un plastique différent, ce qui demande beaucoup d’énergie. La première approche a donc plus de sens. Par exemple, à partir de soja et de tournesol, on peut obtenir des polymères utilisés dans la production de nylon, matière plastique courante, ou de résine époxy qui, combinée à un durcisseur, deviendra un plastique.

– Le carbone fossile (pétrosourcé): c’est ici que l’on retrouve les fameux hydrocarbures composés de plus de 80% en masse de carbone et d’une dizaine de % d’hydrogène. Ils se présentent sous forme de molécules de petite masse et taille. Il faut donc les assembler pour en construire de plus élaborées, à l’inverse des bioplastiques. En y ajoutant certains atomes selon les caractéristiques recherchées, on obtient différents plastiques, comme le PVC (PolyVinyl Chloride = polychlorure de vinyle) alliant chlore et hydrocarbures.

– Le CO₂: provenant principalement des émissions anthropiques, abondant et peu coûteux, la densité d’atome d’oxygène y est élevée et le carbone présent à hauteur d’un peu moins de 30% en masse. Il est utilisé pour créer de nouveaux matériaux, soit par copolymérisation (4) directe ou au travers de monomères à polymériser ensuite. Le challenge réside surtout dans les techniques de captation du CO₂ dans l’air mais aussi dans le caractère chimique inerte de ce gaz qu’il faut rendre réactif à l’aide d’un catalyseur.

Ces ressources ne sont pas équivalentes, le carbone ne s’y présentant ni sous la même forme, ni en teneur égale. En fonction des propriétés mécaniques recherchées et de la stabilité dans le temps visée pour le matériau final, il faut bien choisir la ou les sources de carbone lors de l’écoconception du matériau et, en fonction, définir une stratégie de synthèse adaptée pour le polymère désiré. Que le carbone soit biosourcé, pétrosourcé ou qu’il provienne du CO₂, l’idéal est de créer un cycle vertueux qui boucle sur lui-même. De plus, il est essentiel de tenir compte du schéma de production complet et du taux de carbone émis tout au long du processus. Par exemple, qui dit liaison chimique formée ou brisée dit consommation d’énergie et cela doit être repris dans le bilan (production – consommation) carbone du cycle. Il est également indispensable de tenir compte de la fin de vie du matériau. Si le carbone est «coincé» dedans, il ne sera plus utilisable lors du cycle suivant, qui doit alors être évalué à nouveau.

À terme, le problème n’est donc pas le manque de carbone, sa quantité totale sur Terre étant constante, mais la dilution de ce dernier qui se retrouve de plus en plus «perdu» dans des microparticules de plastique que l’on retrouve par exemple dans les océans. Elles proviennent notamment de vêtements composés de nylon, de polyester ou d’acrylique que l’on lave dans nos machines. Un autre problème trouve son origine dans la vitesse de prélèvement dans la réserve fossile qui est beaucoup trop rapide par rapport à celle de sa reconstitution. Cela aboutit à une accumulation de CO₂ dans l’atmosphère et tous les problèmes de changement climatique que l’on connaît. Le pétrole, mais on le savait déjà, est donc une source de carbone non-renouvelable et non-verte. La biomasse, au contraire, constitue une source renouvelable et peut assurer la circularité du cycle en une dizaine d’années au maximum. Le CO₂ constitue lui aussi une source de carbone renouvelable. Cependant, il faut toujours s’assurer que le processus complet respecte l’environnement et que son bilan carbone est négatif, c’est-à-dire que la quantité de CO₂ diminue dans l’atmosphère. Pour ce faire, une ACV (Analyse du Cycle de Vie) est nécessaire. Nous nous pencherons sur ce thème dans le prochain numéro d’Athena, ainsi que sur la circularité et le recyclage des plastiques.

⁽¹⁾ Pôle de compétitivité wallon de la Cleantech (secteur de l’éco-innovation) agissant comme facilitateur et accélérateur d’innovation, et regroupant des entreprises wallonnes actives notamment dans la chimie durable et les technologies environnementales.

⁽²⁾Cluster wallon de la plasturgie rassemblant les acteurs spécialisés dans les polymères, biopolymères, élastomères, matériaux composites et textiles synthétiques.

⁽³⁾Structure moléculaire de masse élevée, que l’on appelle aussi macromolécule, composée d’une répétition d’unités moléculaires de taille inférieure et de structure identique, les monomères, attachées les unes aux autres et formant une longue chaîne. Le polymère naturel le plus commun est la cellulose que l’on trouve notamment dans l’herbe. Il est également possible d’en produire par procédé chimique, et l’on parle de polymérisation.

⁽⁴⁾Polymérisation à partir de monomères différents.

Techno-Zoom

Lors d’un passage récent dans un hôtel de l’aéroport de Düsseldorf, j’ai personnellement fait la connaissance de Jeeves, robot de service faisant office de mini-bar «sans contact». Tenant son nom du personnage de valet de chambre de l’auteur anglais P.G. Wodehouse, il peut desservir un maximum de 200 chambres sur plusieurs étages: économie d’énergie (et de personnel…) garantie pour l’acquéreur. On fait appel à lui depuis une chambre par téléphone, grâce à une app ou un QR Code et quand il est devant la porte, il s’annonce via un coup de fil, l’application ou par SMS. Sur son écran tactile, l’hôte choisit ensuite ce qu’il désire, snacks ou boissons conservés à 7 °C, et le robot ouvre le ou les tiroirs correspondants.

Ces derniers sont dotés de capteurs permettant de contrôler ce que le client a pris et d’envoyer une alerte lorsque les stocks sont bas. Les consommations sont à régler à la réception ou sans contact à Jeeves si l’option est activée. Quand il a fini de servir un client, il glisse silencieusement à vitesse d’homme jusqu’au suivant ou sa station de chargement. On doit cette amusante création à l’entreprise munichoise Robotise dont l’un des arguments de vente est la curiosité des clients qui souhaitent tenter l’expérience Jeeves. En ce qui me concerne, ils ne se sont pas trompés… Jeeves existe aussi en version dédiée au milieu médical ou aux entreprises.

En savoir plus sur Jeeves :

https://robotise.eu/

Références

Journée du 7/10/2022 « Circular Design in Plastics : vers la Plasturgie Circulaire » organisée par Canopea (anciennement Inter-Environnement Wallonie), Denuo, essenscia, GreenWin et Plastiwin dans le cadre de la stratégie wallonne d’économie circulaire « Circular Wallonia » et de la démarche « Circular Design in Plastics ». Et en particulier les intervenants suivants : Aurore Richel, Professeure ordinaire à l’ULiège; Philippe Lecomte, Professeur Associé et Chercheur Qualifié FNRS à l’ULiège; Philippe de Groote & Florian Cotin, respectivement Coordinateur R&D et Chargé de projets chez Certech à l’UCLouvain; Marie-Charlotte Sparenberg Doctorante à l’UCLouvain; Angélique Léonard, Professeure ordinaire à l’ULiège; Olivier Talon, Coordinateur R&D d’ lUnité d’Impact environnemental chez Materia Nova; Sylvie Meekers, directrice générale de Canopea.

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Intro

Encadré « cluser/pôle »

Index

Intro 2 + Un peu de chimie du carbone

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