Les plastiques et autres matériaux polymères jouent un rôle essentiel dans la société moderne. Cependant, leur utilisation généralisée consomme une grande quantité de ressources fossiles limitées et non renouvelables et génère d'importants volumes de déchets sur terre et dans les océans. Par conséquent, le recyclage et la réutilisation des déchets polymères, tels que les plastiques, présentent d'importants avantages écologiques et économiques. Les polymères recyclables en circuit fermé sont intrinsèquement recyclables et se dépolymérisent facilement et sélectivement en monomères de haute pureté, qui peuvent ensuite être repolymérisés en polymères aux mêmes propriétés. Ils sont considérés comme la prochaine génération de technologie de recyclage des polymères et suscitent un intérêt croissant de la part des universités et de l'industrie.

Récemment, l'équipe du professeur Ma Songqi de l'École de chimie et de génie des matériaux de l'Université de Jiangnan a publié un article scientifique de synthèse intitulé « Polymères recyclables en boucle fermée, de la conception des monomères et des polymères au cycle de polymérisation-dépolymérisation » (Chem. Soc. Rev., 2024, DOI : 10.1039/D4CS00663A) dans Chemical Society Reviews (facteur d'impact 2023 IF = 46,2), une revue internationale de chimie de premier plan fondée par la Royal Society of Chemistry. Cet article détaille l'influence de la conception de la structure des monomères sur le recyclage en boucle fermée des polymères et explique systématiquement le mécanisme de polymérisation et de dépolymérisation des monomères du polymère préparé. De plus, l'article commente l'impact du développement de polymères recyclables en boucle fermée sur l'environnement, l'économie et les ressources, souligne l'importance du développement de la science des matériaux recyclables en boucle fermée et propose des perspectives pour le développement futur de polymères recyclables en boucle fermée. Parmi eux, Yang Shuaiqi, doctorant en 2023 à l'École de chimie et de génie des matériaux de l'Université de Jiangnan, est le premier auteur de cet article, et le professeur Ma Songqi est l'auteur correspondant.

Figure 1 : Résumé graphique (Le développement de polymères recyclables en boucle fermée est propice au développement vert et durable des matériaux polymères tels que les plastiques)

Premièrement, les polymères recyclables en boucle fermée sont divisés en deux catégories selon que d’autres petites molécules doivent participer au processus de dépolymérisation (comme illustré dans la figure 2).

Contrairement aux polymères recyclables en boucle fermée basés sur l'hydrolyse et la dépolymérisation par échange dynamique qui nécessitent la participation de petites molécules, cette revue résume principalement les progrès de la recherche sur les polymères recyclables en boucle fermée basés sur la polymérisation par ouverture de cycle réversible et la polymérisation par addition réversible qui ne nécessitent pas la participation d'autres petites molécules. Pour faciliter la synthèse et la discussion, ils sont divisés en plusieurs sous-catégories selon différents monomères tels que les lactones, les thiolactones, les carbonates cycliques, les oléfines encombrées, les cyclooléfines, les comonomères oléfiniques thermiquement instables, les disulfures cycliques, les (thio)acétals cycliques, les lactames, les monomères d'addition de Diels-Alder, les monomères d'addition de Michael, les monomères anhydride-amide secondaire, les monomères anhydride-aldéhyde cyclique et les polymères activés par groupe terminal.

Figure 2 : Polymères recyclables basés sur des liaisons covalentes réversibles ou sur la chimie : (A) La dépolymérisation nécessite la participation d'autres petites molécules (telles que l'hydrolyse, l'alcoolyse, l'aminolyse, etc.) ; (B) La dépolymérisation ne nécessite pas la participation d'autres petites molécules (cette revue)

Deuxièmement, le mécanisme de polymérisation/dépolymérisation, la structure du monomère (structure de lactone cyclique comme indiqué sur la figure 3), l'évolution des conditions de polymérisation/dépolymérisation (structure du catalyseur comme indiqué sur la figure 3) et le taux de conversion de polymérisation correspondant, le poids moléculaire du polymère, les propriétés du polymère, le taux de récupération du monomère de chaque type de polymère recyclable en boucle fermée ont été résumés et discutés, et les progrès et les lacunes de chaque type de polymère recyclable en boucle fermée ont été résumés.

Figure 3 : Structure du monomère lactone (à gauche) et catalyseurs de polymérisation et de dépolymérisation (à droite)

Compte tenu de l'importance des dispositifs de dépolymérisation, cette revue les résume et les analyse séparément (Fig. 4). Au cours du processus de dépolymérisation, la dépolymérisation et la polymérisation forment une réaction équilibrée. Si les monomères sont extraits en continu du système, la réaction se poursuivra dans le sens de la dépolymérisation, ce qui permet d'obtenir un taux de dépolymérisation élevé, voire une dépolymérisation à 100 % du polymère. Par conséquent, un dispositif de dépolymérisation adapté permet non seulement d'obtenir des monomères de haute pureté, mais aussi d'augmenter considérablement le taux de récupération des monomères.

Figure 4 : Dispositifs de laboratoire signalés pouvant atteindre des taux de dépolymérisation élevés : (A) dispositif de distillation sous vide à court trajet ; (B) évaporateur rotatif ; (C) dispositif de sublimation

Français Dans le résumé final, les auteurs ont résumé la polymérisation de divers monomères et la dépolymérisation des polymères recyclables en boucle fermée correspondants, dans lesquels la polymérisation et la dépolymérisation des monomères cycliques sont liées à la taille de la tension du cycle monomère (Figure 5). Chaque type de polymère recyclable en boucle fermée impliqué dans cette revue a été comparé. Enfin, les défis et les orientations de développement futures des polymères recyclables en boucle fermée sont également soulignés : 1) Équilibre entre polymérisation et dépolymérisation ; 2) Équilibre entre dépolymérisation et performance ; 3) Aucun (ou faible) sous-produit dans le processus de recyclage ; 4) Coûts de recyclage acceptables ; 5. Polymères recyclables en boucle fermée à base de ressources renouvelables ; 6. Catalyseurs de dépolymérisation réutilisables ; 7) Recherche industrielle.

Figure 5 : Relation entre différentes structures de monomères et la polymérisation/dépolymérisation. (A) Polymérisation et dépolymérisation par ouverture de cycle des monomères cycliques et de leurs polymères, et corrélation entre la tension cyclique et la polymérisation/dépolymérisation ; (B) Facteurs affectant la tension cyclique des monomères lactone, thiolactone, carbonate cyclique, lactame, acétal cyclique et oléfine cyclique.