Polymères rapidement biodégradables

Le succès des matières plastiques dans des secteurs aussi diversifiés que l'emballage, la construction, l'automobile, l'électronique, le médical, les énergies nouvelles s'explique par leur capacité à offrir une palette considérable de propriétés, ajustables en variant notamment la chimie et l'organisation moléculaire des polymères. Leur optimisation technico-économique pour chaque application impose de satisfaire les exigences associées à toutes les étapes de leur fabrication : mise en forme, distribution, usage et fin de vie. La résistance dans le temps et l'inertie par rapport à l'environnement sont parmi les qualités les plus souvent requises.

La propriété de biodégradabilité est une fonctionnalité qui concerne l'étape de fin de vie des produits. Sensu stricto, il n’existe pas de polymère qui ne soit pas biodégradable… tout dépend de l’échelle de temps considérée. Toutes les matières organiques (basées sur la chimie du carbone organique (liaisons – C-C- et -C-H)) sont susceptibles d’être progressivement dégradées par des voies diverses (physiques, chimiques, biologiques) pour conduire in fine à des molécules aussi simples que l’eau, le dioxyde de carbone, le méthane, et des minéraux divers (azote, phosphore, soufre etc.) constituants initiaux des matières organiques comme l’illustre le Cycle du Carbone.

Un polyéthylène par exemple, considéré par tous comme non biodégradable, l’est en fait parfaitement bien à la condition que l’on attende au moins 600 ans ! Les durées d’utilisation de ce polymère étant très largement inférieures aux temps nécessaires à sa biodégradation, on assiste aujourd’hui à des phénomènes d’accumulation qui conduisent inévitablement à des pollutions visuelles et physico-(bio) chimiques susceptibles d’être à l’origine d’écotoxicités diverses. Nombre de polymères disposent d’une longue durée de résistance à la biodégradation (sac de caisse en polyéthylène par exemple) alors que leur temps d’utilisation est extrêmement court (de l’ordre de 20 minutes dans le cas du sac en PE).

Devant l’ampleur des phénomènes cumulatifs engendrés, les chercheurs travaillent inlassablement à la mise au point de nouveaux polymères dont le temps de résistance à la biodégradation serait équivalent au temps d’utilisation. En effet, pour certaines applications spécifiques, cette alternative au mode de valorisation par recyclage ou par incinération et récupération d'énergie, peut se révéler avantageuse. C'est le cas notamment lorsqu'une filière de valorisation par compostage peut être organisée autour des sacs à déchets verts, ou lorsqu’il est préférable d'un point de vue technique, économique et environnemental de laisser le matériau se dégrader dans le sol comme dans le cas des films de paillage agricole par exemple. La cinétique de biodégradation doit alors être optimisée/ajustée de façon à être en adéquation à la fois avec les exigences fonctionnelles et les conditions de fin de vie attendues pour le matériau.

L'utilisation des matières plastiques est aujourd'hui très répandue, principalement dans le secteur de l’emballage. Ces matières étant utilisées sur une période de temps très limitée, voire extrêmement courte à l’échelle du cycle de vie du matériau, il est donc nécessaire d'améliorer la biodégradabilité de ces polymères et d'anticiper le mieux possible leur fin de vie. Pour cela, on s’appuie sur le fait que certains matériaux ont la possibilité de subir une décomposition naturelle rapide en étant « consommés » par des bactéries, des champignons, des algues, des insectes, etc. Il s’agit donc ici d’une alternative aux modes de valorisation par recyclage et par récupération d'énergie qui peut se révéler très pertinente dans le cas de certaines applications. Cet article présente à la fois les différents matériaux biodégradables (polymères naturels ou artificiels), les méthodes de mesure de la biodégradabilité et également les applications industrielles de ces matériaux biodégradables.

Quelle que soit leur vitesse de biodégradation, les polymères peuvent être issus de ressources fossiles (utilisation de carbone à cycle très long $\ge$  10⁶ ans) ou de ressources biomassiques (utilisation de carbone à cycle court à moyen, la plupart du temps $\le$  5 ans).

Cet article ne traite que des polymères (très) rapidement biodégradables, indépendamment de leur origine.

Un glossaire en fin d'article regroupe les définitions importantes et celles nécessaires à la compréhension de l'article.