Une nouvelle résine époxy résiste aux flammes et réduit les déchets

Les résines époxy sont des polymères résistants et polyvalents. Associées à des fibres de verre ou de carbone, elles sont utilisées, par exemple, pour fabriquer des composants d'avions, de voitures, de trains, de bateaux et d'éoliennes. Ces polymères renforcés de fibres à base d'époxy ont d'excellentes propriétés mécaniques et thermiques et sont beaucoup plus légers que le métal. Leur faiblesse : Ils ne sont pas recyclables – du moins pas encore.

Des chercheurs de l'Empa, sous la direction de Sabyasachi Gaan du laboratoire Advanced Fibers de l'Empa, ont développé un plastique à base de résine époxy qui est entièrement recyclable, réparable et ignifuge – tout en conservant les propriétés thermomécaniques favorables des résines époxy. Ils ont publié leurs résultats dans le Chemical Engineering Journal.

Le recyclage des résines époxy est loin d'être anodin, car ces plastiques sont des thermodurcissables. Dans ce type de polymère, les chaînes de polymères sont étroitement réticulées. Ces réticulations chimiques rendent la fusion impossible. Une fois que le plastique a durci, il ne peut plus être remodelé.

Ce n'est pas le cas des thermoplastes, comme le PET ou les polyoléfines. Leurs chaînes de polymères sont proches les unes des autres mais ne sont pas chimiquement liées entre elles. Lorsqu'ils sont chauffés, ces polymères peuvent être fondus et prendre de nouvelles formes. Toutefois, en raison de l'absence de réticulation, leurs propriétés mécaniques à des températures élevées ne sont généralement pas aussi bonnes que celles des thermodurcissables.

Un nouveau type de polymère

La résine époxy unique que les chercheurs de l'Empa ont développée en collaboration avec des partenaires nationaux et internationaux est techniquement un thermodurcissable – mais contrairement aux autres thermodurcissables, elle peut être remodelée comme un thermoplaste. La clé réside dans l'ajout d'une molécule fonctionnelle très spéciale de la classe des esters de phosphonate dans la nouvelle matrice de la résine. "A l'origine, nous avons synthétisé cette molécule pour en faire un retardateur de flamme", explique Wenyu Wu Klingler, co-inventeur de cette technologie et chercheur à l'Empa. Mais la liaison que la molécule forme avec les chaînes de polymères de la résine époxy est dynamique et peut être rompue dans certaines conditions. La réticulation des chaînes de polymères est alors relâchée, ce qui permet de les faire fondre et de les remodeler.

Ces matériaux, également connus sous le nom de vitrimères, ne sont connus que depuis une dizaine d'années et sont considérés comme particulièrement prometteurs. "Aujourd'hui, les composites renforcés de fibres ne sont pas du tout recyclables, sauf dans des conditions très difficiles qui endommagent les fibres récupérées", explique Wenyu Wu Klingler. "Une fois arrivés en fin de vie, ils sont incinérés ou mis en décharge. Avec notre plastique, il serait possible pour la première fois de les remettre en circulation".

"Notre vision de l'avenir, ajoute le chef de groupe Sabyasachi Gaan, est celle d'un matériau composite dans lequel les fibres et la matrice plastique peuvent être entièrement séparées et réutilisées. Le chercheur voit une opportunité dans les plastiques renforcés de fibres de carbone en particulier, car ils sont couramment utilisés dans la construction d'avions, de trains, de bateaux, de voitures, de vélos et plus encore. "La production de fibres de carbone nécessite beaucoup d'énergie et libère une énorme quantité de CO2", explique-t-il. "Si nous pouvions les recycler, leur empreinte environnementale serait bien meilleure – et leur prix bien plus bas." En outre, il serait possible de récupérer des éléments précieux tels que le phosphore lié au polymère de la matrice.

Un matériau sur mesure

Les composites renforcés par des fibres ne sont pas la seule application de ce nouveau polymère. Il pourrait, par exemple, être utilisé pour revêtir des planchers en bois, en tant que couche transparente et résistante dotée de bonnes propriétés ignifuges – et où les rayures et les bosses peuvent être "cicatrisées" avec un peu de pression et de chaleur.

"Nous n'avons pas développé un matériau unique pour un usage spécifique, mais plutôt une boîte à outils", explique Sabyasachi Gaan. "L'ignifugation, la recyclabilité et la réparabilité sont des acquis. Nous pouvons optimiser toutes les autres propriétés en fonction de l'utilisation prévue". Par exemple, dit-il, les caractéristiques d'écoulement sont particulièrement importantes pour la production de plastiques renforcés par des fibres, tandis que les revêtements extérieurs pour le bois doivent également être résistants aux intempéries.

Pour poursuivre ces applications et d'autres encore, les chercheurs sont maintenant à la recherche de partenaires industriels. Les chances de succès commercial sont bonnes : outre toutes ses autres propriétés avantageuses, le polymère époxy modifié est également peu coûteux et facile à fabriquer.

European Meeting on Fire Retardant Polymeric Materials 2023

Le laboratoire Advanced Fibers de l'Empa, dont font partie Sabyasachi Gaan et Wenyu Wu Klingler, développe depuis 15 ans des produits ignifuges pour les textiles, les plastiques et le bois. Du 26 au 29 juillet, le laboratoire a accueilli avec succès l'European Meeting on Fire Retardant Polymeric Materials (FRPM) 2023 à l'Empa Academy, réunissant 250 experts du monde académique et industriel pour des présentations et des discussions interdisciplinaires. Ce projet a également été présenté lors de la conférence.