Qu'est-ce que l'hydrolyse des plastiques ?

Les plastiques se dégradent dans l'eau par hydrolyse. Les molécules d'eau sont capables de réagir avec des liaisons chimiques spécifiques dans les chaînes polymères pour former de nouvelles molécules.

Ces nouvelles molécules sont généralement beaucoup plus courtes. Ce processus se déroule en plusieurs étapes, comme indiqué dans la figure ci-dessous.

Étape d'hydratation (étape 1) : Le milieu aqueux pénètre dans la matrice polymère et perturbe les forces secondaires. Cela provoque la relaxation du polymère et abaisse sa température de transition vitreuse.

Dans cette étape initiale, les molécules d'eau agissent comme de minuscules coins qui pénètrent progressivement dans la structure complexe du réseau de la matrice polymère. Les forces secondaires telles que les liaisons hydrogène et les forces de van der Waals qui maintiennent les chaînes polymères dans un état relativement ordonné sont affaiblies par l'intrusion de l'eau.

Tout comme une pile de cartes soigneusement empilée est doucement perturbée, les chaînes polymères commencent à se déplacer plus librement, ce qui conduit à la relaxation de la structure du matériau.

En conséquence, la température de transition vitreuse (la température à laquelle le polymère passe d'un état vitreux dur à un état caoutchouteux plus flexible) est réduite. Cela rend le polymère plus susceptible à des changements chimiques et physiques supplémentaires, car les chaînes polymères sont désormais plus mobiles et plus accessibles à d'autres réactifs.

Par exemple, dans des environnements humides, les plastiques à base de polyamide s'hydratent relativement rapidement, et une diminution de leur température de transition vitreuse peut être observée en peu de temps, ce qui modifie à son tour les propriétés mécaniques du matériau à température ambiante.

Étape de dégradation initiale (étape 2) : Dans les zones où le polymère est hydraté, les liaisons covalentes dans la structure principale du polymère commencent à se rompre.

Cela entraîne une diminution du poids moléculaire du polymère. À mesure que l'hydrolyse progresse, la réaction d'hydrolyse au sein de la matrice polymère est autocatalysée par un nombre croissant de groupes terminaux carboxyles, ce qui provoque une diminution continue du poids moléculaire du polymère.

À mesure que le poids moléculaire diminue, le polymère perd également sa résistance mécanique, mais le polymère conserve encore son intégrité. Lorsque les liaisons covalentes dans la structure principale du polymère (comme les liaisons ester, amide ou carbonate) entrent en contact avec des molécules d'eau, une réaction chimique se produit.

Les molécules d'eau se décomposent et un atome d'hydrogène est attaché à une partie de la chaîne polymère et un groupe hydroxyle à une autre partie, rompant efficacement la liaison covalente.

Par exemple, dans les plastiques à base de polyester tels que le polyéthylène téréphtalate (PET), les liaisons ester sont particulièrement sensibles à l'hydrolyse. Lorsque ces liaisons se rompent, les longues chaînes polymères se fragmentent en chaînes plus courtes, et le poids moléculaire diminue.

Les nouveaux groupes terminaux carboxyles formés catalysent d'autres réactions d'hydrolyse. Ce processus auto-accéléré signifie qu'une fois que l'hydrolyse commence, son taux tend à augmenter avec le temps. À mesure que le poids moléculaire diminue, la capacité du polymère à résister aux forces externes, telles que la tension ou la pression, diminue. Cependant, le matériau conserve encore sa forme globale, bien qu'il devienne plus flexible et moins durable.

Dégradation supplémentaire (Étape 3) : Le poids moléculaire du polymère continue de diminuer jusqu'à atteindre un seuil où le polymère ne peut plus maintenir son intégrité et commence à subir une perte de masse notable. À mesure que la réaction d'hydrolyse se poursuit et que le poids moléculaire diminue davantage, le polymère atteint un point critique.

Les chaînes moléculaires restantes deviennent trop courtes et trop faibles pour maintenir l'intégrité structurelle du matériau. Cela ressemble à une corde qui s'est usée et s'est fragmentée en tellement de petits morceaux qu'elle ne peut plus supporter aucun poids. À ce stade, le polymère commence à se fragmenter en morceaux plus petits.

Par exemple, un film plastique en cours d'hydrolyse peut commencer à développer de petits trous et les bords peuvent commencer à s'effriter. Ces morceaux sont ensuite fragmentés davantage par d'autres facteurs environnementaux, tels que le flux d'eau ou les micro-organismes, entraînant une perte de masse notable.

Le polymère, qui avait autrefois une forme et une taille spécifiques, commence à se désintégrer et à se disperser davantage dans l'environnement.

Phase de dissolution ou d'érosion (Phase 4) : La masse du polymère est réduite et ses fragments sont davantage décomposés en molécules solubles dans le milieu. Dans cette phase finale, les petits fragments du polymère se décomposent en molécules encore plus petites et se dissolvent dans l'eau.

Ces molécules solubles sont ensuite emportées par le flux d'eau, entraînant la disparition du plastique de son emplacement d'origine. Ce processus est similaire à la dissolution du sucre dans l'eau.

En prenant les plastiques comme exemple, des substances telles que les oligomères d'acide lactique qui peuvent être formés lors de l'hydrolyse de l'acide polylactique (PLA) sont capables de se dissoudre dans l'eau et d'être transportées vers d'autres parties de l'environnement.

Cela entraîne non seulement la disparition complète du matériau plastique d'origine, mais aussi un impact sur l'écosystème environnant.

Ces molécules dissoutes peuvent être absorbées par les organismes aquatiques, causant potentiellement des dommages par bioaccumulation ou interférant avec les processus biologiques normaux.

Le taux et l'étendue de l'hydrolyse des plastiques sont influencés par de nombreux facteurs. La température joue un rôle clé, et généralement, plus la température est élevée, plus elle fournit d'énergie pour la réaction chimique, et plus la réaction d'hydrolyse est rapide.

Le pH de l'eau affecte également le processus d'hydrolyse, et certains plastiques se dégradent plus rapidement dans des environnements acides ou alcalins.

De plus, la présence de catalyseurs naturels ou synthétiques peut accélérer le processus d'hydrolyse. Comprendre l'hydrolyse des plastiques est crucial pour développer des stratégies de gestion des déchets plastiques dans les environnements aquatiques, telles que la conception de plastiques plus biodégradables ou l'amélioration des processus de traitement des déchets pour prévenir la libération de produits de dégradation nocifs.

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