Des plastiques plus résistants et plus légers grâce aux dérivés des nanotubes de carbone

La réduction de l’impact environnemental causé par les plastiques peut être abordée grâce à différentes stratégies, telles que la fabrication de plastiques plus durables ou le recyclage. En général, il existe deux principaux types de plastiques. Le premier, les thermoplastiques, qui peuvent être fondus et moulés pour former d’autres objets, même si leurs propriétés mécaniques s’affaiblissent s’ils sont fondus plusieurs fois. Et les seconds, thermostables, ne fondent pas à haute température, puisque les chaînes polymères qui les forment sont réticulées par des liaisons chimiques.

Les plastiques thermodurcis ont des propriétés avantageuses par rapport aux thermoplastiques. Ils ont généralement une plus grande résistance aux chocs et aux contraintes mécaniques, bien qu’ils soient également plus fragiles. La résine époxy, le silicone ou la mélamine sont des exemples de plastiques thermodurcis, couramment utilisés dans la construction. Pour rendre ces plastiques plus résistants, les ingénieurs ajoutent des matériaux de renforcement tels que la fibre de carbone. On en fabrique déjà aujourd’hui des objets tels que des casques de moto ou des équipements de sport, qui sont très durables bien qu’ils ne soient pas facilement recyclables.

Chez IMDEA Nanociencia, à Madrid, en Espagne, une équipe de scientifiques comprenant, entre autres, Ion Isasti et Emilio Pérez, étudie une stratégie visant à renforcer les plastiques recyclables en collaboration avec l’entreprise Nanocore. Le plastique étudié est un réseau covalent adaptable, dont la structure moléculaire est similaire à celle d’un plastique thermostable mais avec la particularité qu’il incorpore des liaisons covalentes (fortes) mais en même temps réversibles entre les chaînes polymères. Plus précisément, ils travaillent avec des imines, dont les liaisons peuvent être rompues avec l’eau ou la température, et reformées. La nouveauté de l’étude est qu’ils ont utilisé un dérivé de nanotubes de carbone entourés d’une molécule en forme d’anneau, appelés MINT (Mechanically Interlocked Carbon Nanotubes).

Les molécules de l’anneau sont attachées au nanotube de carbone mécaniquement et non chimiquement, donc la liaison entre les deux est très forte, mais en même temps elle permet un certain mouvement de la molécule le long du nanotube. Les chercheurs ont équipé l’anneau de deux points d’ancrage (deux amines) afin qu’ils se lient de manière covalente aux polymères. De cette manière, le nanotube devient un élément structurel du réseau polymère.

Spécimen pour essais mécaniques. (Image : Ion Isasti)

Mettre des anneaux sur des nanotubes : une stratégie simple et très efficace

Les nanotubes de carbone sont, fondamentalement, une feuille de graphène enroulée sur elle-même. Pour joindre un nanotube à d’autres molécules, il est possible de le faire directement grâce à des liaisons covalentes, qui cassent un peu le tube, ajoutent des défauts et l’affaiblissent. La stratégie poursuivie par les chercheurs utilise la liaison mécanique – une molécule en anneau autour du nanotube – pour intégrer les nanotubes dans le réseau polymère, en préservant toutes ses propriétés et en maximisant le transfert de charge de la matrice vers le renfort. Autrement dit, on ne peut pas faire mieux.

Le concept est simple : en entourant le nanotube d’un anneau, on évite l’agglomération de ces fibres, ce qui fait perdre de l’efficacité au renfort. De plus, des sites d’interaction avec le polymère sont prévus dans l’anneau, ce qui améliore le transfert de contrainte. En ajoutant seulement 1 % en poids de nanotubes au mélange de polymères, il est possible d’améliorer le module d’Young de 77 %, et une amélioration de 100 % de la résistance à la traction. Notamment, les propriétés mécaniques de ce plastique renforcé restent intactes après avoir été fondu et recyclé jusqu’à 4 fois.

En ingénierie, la loi des mélanges indique que les propriétés d’un composé sont le mélange des propriétés des matériaux d’origine, selon leur proportion. L’étude menée par les chercheurs madrilènes a confirmé que cela n’est le cas que lorsqu’il existe un transfert efficace de contrainte mécanique entre les deux composés, au niveau nanoscopique. Dans leurs travaux, les chercheurs ont atteint une efficacité maximale dans le transfert des contraintes mécaniques du polymère aux nanotubes, le matériau le plus résistant. Les nanotubes ont un module d’Young de 1TPa, 5 fois plus dur que l’acier, étant un matériau beaucoup plus léger. Ajouter davantage de nanotubes au plastique ne le rend pas plus résistant, car les nanotubes commencent à s’agglutiner et à perdre de leur efficacité. La clé du succès réside dans la liaison covalente entre les nanotubes et le polymère. (Source : IMDEA Nanoscience)