KU Leuven: Recyclage chimique des élastomères thermoplastiques de condensation par dépolymérisation chimique ciblée

Dans le cadre du projet Elast2Sustain, le Sustainable Materials Lab (SusMat, Département du Génie Chimique, campus Kulak Kortrijk de la KU Leuven) étudie la dépolymérisation chimique ciblée pour reconvertir les élastomères thermoplastiques à base de polymères de condensation, tels que les polyesters, polyamides et polyuréthanes, en monomères permettant de produire à nouveau des polymères vierges.

Des combinaisons avec d'autres polymères, notamment les polyoléfines et les fibres cellulosiques, sont également examinées. Les conditions de dépolymérisation sont optimisées afin que les autres polymères ne soient pas affectés et puissent encore être recyclés physiquement ou chimiquement lors d'une étape ultérieure.

L’optimisation des réactions est actuellement réalisée à l’échelle du laboratoire. La mise à l’échelle sera étudiée plus tard dans le projet grâce à l’installation d’un réacteur pilote chez SusMat d’ici la fin de l’année 2026.

Polyesters

Avant le démarrage du projet Elast2Sustain, le laboratoire SusMat avait déjà développé une méthode permettant de dépolymériser complètement des polyesters en monomères de manière efficace à 120˚C en moins d’une minute, en utilisant de l’hydroxyde de potassium dans le méthanol (demande de brevet PCT/EP2022/068334). Cette méthode était également applicable aux mélanges de polyesters et de polycarbonates, les deux polymères étant entièrement dégradés en leurs monomères respectifs.

Dans le cadre du projet Elast2Sustain, cette méthode a été davantage optimisée pour des combinaisons avec d’autres polymères (fibres de cellulose, PVC, polyoléfines) afin de garantir que ces autres polymères ne soient ni affectés ni dégradés. Après optimisation, les polyesters pouvaient être complètement éliminées des mélanges en moins d’une minute à une température inférieure à 90˚C, sans qu’aucune dégradation des polyoléfines ou du coton ne soit observée. Dans le cas du PVC, il a fallu abaisser la température et augmenter légèrement le temps de traitement, ces deux paramètres dépendant de la manière dont le composite PVC-polyester avait été élaboré.

Polyamides

Pour le traitement des polyamides, deux techniques complémentaires ont été développées au sein du laboratoire SusMat, chacune présentant ses propres avantages et inconvénients. D’une part, la même méthode de traitement que celle utilisée pour les polyesters (hydroxyde de potassium dans le méthanol) a été appliquée. Cette méthode nécessite toutefois un temps de traitement plus long (de 1 à 1,5 heure) que pour les polyesters afin d’obtenir une conversion complète en monomères. Son principal avantage est que, dans les mélanges contenant des polyesters, la fraction polyester peut d’abord être dépolymérisée avec une dégradation minimale des polyamides et une contamination très limitée des monomères par ceux-ci, avant de convertir ensuite la fraction polyamide. Cette méthode permet également l’élimination sélective de la fraction polyamide dans les copolymères à blocs, où les polyamides sont chimiquement liés à d’autres polymères.

D’autre part, une seconde méthode a été développée, dans laquelle les polyamides sont d’abord dissous sélectivement dans un solvant aqueux (séparation physique) sans dépolymérisation, une approche dénommée ALCHYD+. Les polyamides peuvent ensuite soit être précipités et récupérés sous forme de polymère, soit être dépolymérisés en monomères en une demi-heure sans qu’il soit nécessaire de changer de solvant. Ce dernier procédé a été baptisé WALCHYD+ et fait l’objet d’une demande de protection par brevet (PCT/EP2025/068533).

Polyuréthanes

Une méthodologie en deux étapes a également été développée avec succès pour les polyuréthanes (et les polyurées) en vue de leur élimination sélective et de leur conversion en monomères et produits chimiques destinés à être réutilisés dans l’industrie chimique. Les polyuréthanes thermoplastiques sont d’abord dissous dans un solvant (séparation physique), après quoi ils peuvent soit être récupérés sous forme de polymère sans dégradation, soit être convertis en produits chimiques de base et en monomères après ajout d’un réactif de dépolymérisation. Une dépolymérisation complète peut être obtenue en moins de 10 minutes à 120˚C. Une demande de protection par brevet a également été déposée pour cette méthodologie, dénommée ElasHyd (PCT/EP2025/068533).

Étant donné que les combinaisons de différents polymères sont de plus en plus utilisées afin de mieux adapter les produits aux exigences de leur application finale, les associations de polymères difficiles à séparer les unes des autres seront également de plus en plus présentes dans les déchets à traiter. On peut citer, par exemple, le polycoton (association de coton et de polyester pour les vêtements infroissables), les mélanges coton-polyuréthane pour les jeans extensibles, ou encore les mélanges polyamide-polyuréthane pour les vêtements de sport extensibles.

Il est donc essentiel de développer une méthode séquentielle capable d’extraire sélectivement les différentes fractions sans dégrader les fractions restantes, tout en étant suffisamment adaptable pour éviter des étapes de traitement inutiles. Par exemple, lorsqu’aucun polyamide n’est présent dans le flux de déchets, il n’est pas nécessaire de mettre en œuvre un traitement spécifique à ce polymère.

Sur la base des techniques développées au sein du laboratoire SusMat, un schéma de traitement a été conçu (Figure 4) en combinant les différentes étapes de manière à permettre, d’une part, l’élimination séparée de chaque fraction sans contamination des autres fractions et, d’autre part, le maintien de conditions opératoires qui ne dégradent pas les fractions restantes. Des protocoles ont également été développés au sein de SusMat pour la séparation des différents flux et des monomères.

Figure 4 : Combinaison des différentes techniques de dépolymérisation chimique dans un schéma de traitement destiné à un flux de déchets mixtes. Chaque étape est délimitée par un cadre en pointillés de couleur et peut être supprimée lorsqu’elle n’est pas applicable. Des techniques de séparation permettant de séparer les différents flux et les monomères ont également été développées dans le cadre d’Elast2Sustain.*Autres polymères étudiés comprennent les polyoléfines, le PVC et le coton (cellulose). Des conditions de traitement ont été développées afin d’éviter leur dégradation lors de l’élimination des autres fractions, permettant ainsi leur recyclage ultérieur par d’autres méthodes.

Les méthodes décrites ci-dessus ont été développées à l’échelle du laboratoire (jusqu’à environ 100 mL). Afin de permettre une analyse technico-économique approfondie, des études de mise à l’échelle sont nécessaires. À cette fin, un réacteur de mise à l’échelle équipé d’une chaîne de séparation sera installé chez SusMat d’ici la fin de l’année 2026 afin de permettre la séparation des produits obtenus. Des essais de mise à l’échelle des différentes méthodologies seront réalisés en vue de recueillir des données pertinentes pour l’industrie.

Par ailleurs, les recherches seront étendues à un plus grand nombre d’échantillons industriels afin d’évaluer plus en détail l’influence des additifs, des contaminants, ainsi que des différentes morphologies et compositions des matériaux.

La miniature a été créée avec l'assistance d'une IA.