Des thermodurcissables auto-cicatrisants et recyclables proposent une alternative plus écologique aux plastiques à usage unique
En réponse à l’accroissement des préoccupations environnementales et à l’épuisement des ressources fossiles, le développement de résines durables dérivées de molécules biosourcées s’intensifie dans le secteur de l’impression 3D. L’élimination en fin de vie des thermodurcissables traditionnels, difficiles à fondre et à retraiter, pose un problème de taille. Le projet SUSTAINABLE, financé par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie a proposé des stratégies d’harmonisation des propriétés intéressantes des thermodurcissables avec leur capacité à être recyclés mécaniquement et chimiquement. Il s’agit notamment de faire appel à des liaisons transversales covalentes dynamiques. «Les résines qui contiennent des réticulations réversibles peuvent être réutilisées sous de nouvelles formes sans perdre leurs propriétés bénéfiques», fait remarquer Minna Hakkarainen, coordinatrice du projet. «En outre, ces résines sont faciles à travailler car elles peuvent être durcies ou «polymérisées» à l’aide d’un processus à faible consommation d’énergie et à température ambiante. Elles peuvent également être façonnées en diverses structures par DLP (traitement numérique de la lumière).»
De simples molécules de bois à un produit 3D robuste
L’équipe du projet, composée d’Anna Liguori, boursière postdoctorale du MSCA, et de la professeure Minna Hakkarainen, a synthétisé une large bibliothèque de résines biosourcées dérivées de molécules de bois (vanilline, eugénol et isosorbide). Ces résines ont été modifiées avec des groupes photocréticulables, qui leur permettent de durcir sous l’effet de la lumière. «L’objectif était de créer des thermodurcissables auto-cicatrisants et recyclables qui conservent leur forme après traitement thermique», explique Minna Hakkarainen. «Pour ce faire, les structures des résines comprennent des liaisons covalentes dynamiques qui peuvent être ouvertes et reformées sous l’effet de stimuli spécifiques. Nous avons utilisé une base de Schiff (également connue sous le nom de liaison imine) et un ester.» Prenant l’exemple d’une résine à base de vanilline, l’équipe l’a durcie au moyen d’une lampe à ultraviolets, ce qui a donné un matériau thermodurcissable résistant à la plupart des solvants courants. Le matériau a également fait preuve d’une bonne stabilité thermique, même à des températures supérieures à 300 °C. La structure réticulée et les liaisons imines confèrent au thermodurcissable une combinaison unique de malléabilité, de propriétés d’auto-cicatrisation et de capacité de retraitement thermique. En outre, le thermodurcissable pouvait être chimiquement recyclé par immersion dans de l’éthylènediamine, qui déclenchait un processus de transimination. Il en résulte un produit oligomérique avec des groupes terminaux aminés, qui peut être utilisé pour la fabrication de nouveaux films thermodurcissables. L’équipe a également démontré que cette résine pouvait être utilisée pour produire des objets 3D à l’aide de la technologie DLP. Cette résine a été améliorée en y dispersant des points de carbone dérivés de la cellulose, qui se sont auto-assemblés en microfibres lorsqu’ils ont été exposés au DLP. Ce composite affiche une température de transition plus basse et des propriétés de mémoire de forme inférieures au thermodurcissable original à base de Schiff et de vanilline. Il a toutefois démontré une meilleure recyclabilité mécanique et chimique.
D’autres méthodes de durcissement
Dans le cadre d’une autre étude, les chercheurs ont étudié une méthode de post-traitement par plasma atmosphérique pour le revêtement de structures imprimées en 3D. Cette méthode a augmenté l’hydrophilie de surface des thermodurcissables dérivés de la vanilline par rapport au traitement à la lumière ultraviolette, améliorant ainsi l’uniformité du revêtement. Ce traitement a également renforcé la protection contre les ultraviolets et les propriétés antioxydantes des thermodurcissables revêtus.
Étude de résines à base d’isosorbide
Quatre résines à base d’isosorbide ont été développées pour l’impression 3D, leur composition affectant directement l’imprimabilité et les propriétés du thermodurcissable obtenu. Si l’isosorbide méthacrylé a ajouté de la rigidité, il a eu un effet négatif sur la qualité de l’impression et la résistance aux solvants. L’augmentation de la concentration de vanilline méthacrylée a permis de résoudre ces problèmes, mais a réduit la stabilité thermique. En revanche l’utilisation d’une résine à base de Schiff méthacrylée a diminué la rigidité, mais a amélioré la résistance aux solvants. Grâce à des liaisons covalentes dynamiques, les thermodurcissables ester-imine ont conservé leur coefficient d’élasticité après recyclage. «La production et le recyclage durables de thermodurcissables biosourcés innovants ont jusqu’à présent fait l’objet de fort peu d’attention. La plupart des études privilégient les méthodes de polymérisation thermique par rapport aux méthodes lumineuses, plus efficaces et plus respectueuses de l’environnement. En outre, une nouvelle méthode assistée par plasma permet de revêtir facilement les thermodurcissables imprimés en 3D, ce qui élargit leurs applications dans des domaines où les propriétés de surface sont vitales», concluent Anna Liguori et Minna Hakkarainen.
Mots‑clés
DURABLE, thermodurcissable, DLP, revêtement, plastique, durcissement, traitement numérique de la lumière, liaison covalente dynamique
