Avec près de
30 millions de tonnes produites chaque année dans le monde, les
polyuréthanes (PU) figurent parmi les polymères les plus utilisés. Environ
60% sont employés sous forme de
mousses rigides principalement pour l'isolation des bâtiments ou
flexibles pour l'ameublement et les mobilités, tandis que les 40% restants entrent notamment dans la formulation de
colles et de peintures. Les PU présentent certes des performances techniques exceptionnelles, cependant, leur
origine pétro-sourcée, la
toxicité des isocyanates utilisés pour leur synthèse – des composés soumis à des restrictions croissantes dans le cadre de la réglementation
REACH – ainsi que les difficultés liées à leur recyclage [1] motivent à identifier des solutions alternatives.
Le développement de solutions de recyclage innovantes est clef pour la gestion des déchets PU existants
Le volume de déchets PU est en effet gigantesque, estimé à 1,6 millions de tonnes par an (matelas, sièges auto) pour les mousses souples et à environ 1,3 millions de tonnes par an pour les mousses rigides (isolation thermique). En raison de leur nature thermodurcissable, les PU sont aujourd'hui difficilement recyclables, et la majorité des déchets sont donc incinérés ou enfouis (220 000 tonnes de mousses PU en décharge chaque année [2]). Au mieux, certaines approches de recyclage chimique (solvolyse) permettent de réintégrer de 20 à 30% de matière issue du recyclage dans de nouvelles formulations, et ce moyennant des dépenses énergétiques importantes. Dans ce contexte, le CEA-Liten explore des solutions mécano-chimiques qui permettent d'optimiser l'impact environnemental attribuable au recyclage en refabriquant des mousses de caractéristiques proches des mousses initiales, par le biais de procédés classiquement utilisés en plasturgie. Plutôt que de dépolymériser complètement la matière jusqu'aux monomères comme dans le cas du recyclage chimique, le procédé développé repose sur l'activation de la réversibilité des liaisons uréthane (en utilisant des catalyseurs), couplée à une déréticulation partielle du réseau permettant de lui conférer une mobilité moléculaire suffisante pour être compatible avec une remise en forme en voie fondue. Le matériau obtenu peut ainsi être remis en forme par des procédés standards en plasturgie (tels que l'extrusion ou l'injection). Une dernière étape de moussage, concomitante avec un réajustement du degré de réticulation peut alors être réalisée pour obtenir la mousse recyclée finale. Cette méthode a démontré des rendements très intéressants en atteignant des taux de matière recyclée supérieurs aux méthodes chimiques (jusqu'à 90% en masse). Les mousses recyclées obtenues présentent des densités et des rigidités similaires à celles des mousses PU initiales. Dans le cas présent, nous avons démontré la faisabilité pour le recyclage de polyuréthanes issus de chutes de production industrielles, avec l'objectif de leur offrir une nouvelle utilisation, mais l'approche développée pourrait aussi être étendue aux gisements de PU en fin de vie issus de différents secteurs tels que l'automobile ou le bâtiment.
Mousse PU recyclée par voie mécano-chimique
Au-delà des solutions de recyclage des PU usagés existants, le développement de mousses flexibles biosourcées et synthétisées sans isocyanate doit permettre d'aller vers des PU plus durables.
Les isocyanates jouent un rôle central dans la synthèse des PU : ils réagissent avec les polyols pour produire la fonction uréthane, base de la chaine polymérique. Ils peuvent aussi réagir avec l'eau pour former du CO2 dans le cas de fabrication de mousses, ou avec des fonctions amines de manière à créer des liaisons urée qui augmentent la rigidité du polymère. Leur réactivité élevée et leur polyvalence autorisent des polymérisations rapides avec des propriétés physiques modulables. Leur utilisation n'est cependant pas neutre car les isocyanates présentent des risques pour la santé : à faible dose, une exposition répétée peut provoquer des allergies, de l'asthme ou des dermatites, et en cas d'exposition massive, il y a risque de toxicité aigüe (œdème pulmonaires, lésions oculaires). Aussi, la réglementation européenne 2024 [3] a abaissé les valeurs limites d'exposition professionnelle et encourage leur remplacement lorsque c'est possible.
Le CEA-Liten travaille depuis 2020 sur le développement de solutions sans isocyanate, avec des résultats prometteurs. Les synthèses chimiques alternatives développées, à base d'une huile végétale non alimentaire et d'agents d'expansion biosourcés ont permis d'obtenir des mousses PU présentant des propriétés mécaniques similaires à celles de mousses flexibles conventionnelles. Par ailleurs, ces résultats ont été obtenus avec des temps de réticulation compatibles avec les cadences industrielles.
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A gauche : échantillon de mousse PU fabriqué avec une chimie sans isocyanate ; au milieu : photo MEB des porosités, à droite : essais de compression/décompression réalisés sur une mousse PU sans isocyanate. Credit: CEA
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Ces résultats, publiés dans le journal
ACS Sustainable Chemistry & Engineering [4] montrent qu'il est possible de produire des
mousses PU plus durables, répondant aux exigences de performance du secteur automobile.
Perspectives : Si les cinétiques obtenues dans le cadre de ces travaux commencent à être pertinentes pour des procédés industriels, elles n'atteignent pas encore les niveaux d'un PU classique et nos travaux s'orientent vers l'amélioration de ces dernières.
Des compétences et des moyens au service de l'économie circulaire
En combinant
innovation chimique,
maîtrise des procédés, analyse des matériaux, le CEA-Liten contribue à l'émergence de
solutions plus durables dans le domaine des matériaux polymères, au service d'une industrie plus respectueuse de l'environnement. Les développements présentés s'appuient sur les atouts complémentaires, à la fois en compétences humaines et en infrastructures technologiques. L'équipe mobilise des chimistes spécialisés dans la synthèse de polymères, des experts en procédés de mise en œuvre et des spécialistes de la caractérisation des matériaux, couvrant ainsi toute la chaîne de valeur, de la molécule au matériau final. Leur travail s'appuie sur des
Plateformes de chimie et de plasturgie, ainsi que sur l'accès à une infrastructure CEA regroupant des équipements de caractérisation à la pointe, la
Plateforme de NanoCaractérisation.
Ces travaux ont été menés notamment dans le cadre du projet DECORE (Projet financé par l'État dans le cadre du Programme d'Investissements d'Avenir (PIA) – PSPC CORAM AAP 1) mené avec l'entreprise Forvia, pour des mousses PU utilisées dans le secteur automobile et dans le cadre du projet européen SURPASS (https://www.surpass-project.eu/) pour les PU issus du secteur du bâtiment. Le projet SURPASS a été financé par la commission Européenne programme horizon Europe, Numero d'accord (Grant agreement) 101057901
Publications :
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5c10064