Améliorer la viabilité économique de la réutilisation de la matière issue du recyclage des déchets de caoutchouc : un défi que des chercheurs de l'Institut de recherche de Chimie-Paris (CNRS/Chimie ParisTech/PSL) s'emploient à relever en concentrant leur attention sur la gestion des déchets de caoutchouc nitrile-butadiène (NBR). Outre les procédés conventionnels de recyclage, cette équipe propose une approche novatrice d'« upcycling » (ou recyclage par valorisation) en une seule opération, qui se distingue par sa rentabilité énergétique et économique accrue. Cette méthode repose sur l'utilisation de catalyseurs afin de décomposer ces caoutchoucs synthétiques, rompant ainsi avec leur usage traditionnellement orienté vers la valorisation énergétique.
Le caoutchouc NBR est un copolymère composé de deux monomères, l'acrylonitrile et le butadiène. Principalement utilisés dans les secteurs automobile et textile, les produits en NBR arrivant en fin de vie posent actuellement des défis en termes de gestion des déchets. « Ils sont souvent négligés en matière de recyclage en raison du coût attractif de la matière vierge pour les industriels. Par conséquent, ils sont généralement jetés dans des décharges où ils se dégradent, libérant des produits chimiques dans l'environnement, ou sont incinérés », souligne Regis Gauvin, Directeur de recherche à l’Institut de recherche de chimie Paris.
Pour les réincorporer dans le marché, les chercheurs ont travaillé depuis 2020 sur un procédé de catalyse « one pot » pour décomposer les déchets de caoutchouc NBR en utilisant des catalyseurs (ruthénium et magnésium). Leur objectif n'est pas de regénérer le monomère, mais plutôt de produire de nouveaux produits à haute valeur ajoutée, tels que des polyesters insaturés, c’est-à-dire des matériaux synthétiques partiellement biosourcés.
Une nouvelle matière à partir des déchets
En matière de recyclage des déchets plastiques, l'idéal serait de retourner au stade du monomère pour fabriquer de nouveaux plastiques à haute valeur ajoutée. Deux principales approches existent : le recyclage mécanique, prédominant sur le marché, et le recyclage chimique par dépolymérisation. « Pour les plastiques sales et mélangés, la méthode la plus courante consiste à les dégrader par pyrolyse, ce qui nécessite une consommation énergétique importante. Quant au recyclage mécanique par broyage, bien qu'il soit largement utilisé dans l'industrie, il recrée souvent des polymères de faible valeur ajoutée, peu attrayants pour les industriels, pointe Regis Gauvin. Reste le recyclage chimique qui offre la possibilité de revenir au monomère précurseur du polymère, mais son coût reste prohibitif. »
Plutôt que de retourner au monomère initial, l'équipe privilégie une approche dite d'upcycling, qui pourrait offrir une alternative énergétiquement et économiquement plus favorable que le recyclage chimique par dépolymérisation. « Nous avons appliqué nos connaissances en catalyse moléculaire pour attaquer le problème du recyclage sous un nouvel angle, en utilisant la catalyse pour transformer les déchets de caoutchouc NBR en produits. C'est-à-dire qu'on va utiliser la matière dont on dispose pour l'incorporer dans d'autres matériaux pouvant être utilisés dans des applications différentes, offrant ainsi une nouvelle vie à ces déchets », ajoute-t-il.
Un seul réacteur, deux catalyseurs
« Nous utilisons un seul réacteur pour effectuer plusieurs étapes de transformation de la matière sans isoler les intermédiaires de synthèse - c’est-à-dire les monomères qui sont les unités de base répétées dans la structure pour former de longues chaînes d'un polymère – ce qui réduit considérablement le coût du processus », indique Christophe Thomas, professeur à l’Institut de recherche de chimie Paris.
Dans ce procédé, en une seule étape se forment des molécules volatiles à fonction nitrile et des oligomères de butadiène convertis en acides difonctionnels. Ceux-ci réagissent dans le même réacteur avec des alcools biosourcés pour former des polyesters insaturés. Cette méthode permet ainsi de convertir les déchets de caoutchouc en un nouveau polymère dont la structure et les propriétés peuvent être modulées selon les besoins.
Concrètement, le procédé mis au point commence par l'ajout d'un catalyseur au ruthénium pour une étape de métathèse. « Dans cette phase on coupe des doubles liaisons du polymère et on les réarrange. De cette première étape, on peut isoler une première petite molécule d'intérêt bien définie », explique Christophe Thomas. Puis les fragments sont engagés dans une deuxième étape avec le même catalyseur au ruthénium, pour pouvoir faire la transformation en oligomères difonctionalisés. Une troisième et dernière étape est catalysée au magnésium pour aboutir à un polymère qui est complètement différent de celui de départ. « On part d'un polymère entièrement pétrosourcé pour arriver à la fin à un polymère qui est majoritairement biosourcé puisque au fur et à mesure des étapes on a rajouté des fragments biosourcés dans la chaîne polymérique », précise-t-il.
Des avantages intéressants pour les industriels
Les avantages de ce procédé sont multiples. Il est peu coûteux, car il utilise des catalyseurs disponibles sur le marché à un faible coût. Autre intérêt, il offre une polyvalence permettant de produire différents types de polymères selon les fonctionnalités ajoutées au polymère initial. « On peut brancher différentes fonctionnalités sur le squelette carboné du polymère initial. Cela signifie qu'en fonction de ce que l’on va ajouter, on peut obtenir différents types de polymères », commentent les deux chercheurs.
Actuellement, le procédé est encore en phase de test, mais les prochaines étapes du projet consisteront à étudier les réactions sur des déchets à grande échelle. Cependant, l'intérêt des industriels pour cette approche reste limité, car le coût du monomère vierge demeure faible. « Pour être économiquement viable, cette approche doit donc produire des composés plus précieux que les monomères et les polymères vierges », notent-ils. En parallèle, les chercheurs envisagent d'explorer l'upcycling d'autres types de polymères, tels que le polychlorure de vinyle (PVC) et le polyéthylène, afin d'étendre les applications de leur procédé.
