Les nanomatériaux montent en charge

D'abord un savant mélange

À l’état brut, un polymère n'a pas, en général, les qualités requises pour l'application à laquelle il est destiné. C’est pourquoi on lui ajoute des additifs, à moins de 5%,  ou, au-delà, des adjuvants susceptibles d’en modifier les propriétés : aspect, élasticité, résistance mécanique ou thermique, longévité, etc.

Réservé jusqu’aux années 50 aux résines thermodurcissables, l’usage des additifs s’est généralisé dans la plasturgie avec la diversification des matières plastiques. Certains comme les plastifiants modifient chimiquement les chaînes de polymères, d’autres comme les pigments, les charges de renfort ou encore les gaz, sont des composés inertes dont la présence physique permet de réduire la transparence du plastique ou de modifier sa résistance mécanique voire d’en faire une mousse.

Tout l’art du plasturgiste consiste justement à mettre au point la formule idéale en associant le ou les polymères de base avec les additifs appropriés pour obtenir les meilleures interactions… Et vu le nombre de candidats dans les différentes familles, les combinaisons sont presque illimitées.

Un pas de géant vers l'infiniment petit

Jusqu’à la fin du siècle dernier, la plupart des additifs utilisés en plasturgie étaient des particules de taille supérieure au micron. Mais l’usage du microscope «à effet tunnel» mis au point par Gerd Binnig et Heinrich Roeher, les deux Nobel 1986, a changé la donne. Non seulement leur découverte fournit des images 3D en haute résolution à l’échelle nanométrique mais, en plus elle permet de manipuler des atomes ou des molécules… On constate alors qu’à cette échelle, les matériaux ont des comportements différents de ceux observés habituellement.
La raison en est simple. En fractionnant un centimètre cube de matière en un milliard de fragments, on multiplie la surface de contact du matériau par 10 millions. Alors qu’un atome seulement sur 10 millions se trouvait à la surface du cube initial, près de 80% des atomes seront accessibles sur un nanomètre cube de matière. Ce qui les rend beaucoup plus réactifs… Un peu comme le sucre glace qui fond plus vite que le sucre en morceaux.

Pour les plasturgistes, toujours en quête des combinaisons les plus performantes entre polymères et adjuvants, l’exploitation des phénomènes de surface des nanomatériaux est une véritable aubaine.

Pour cela, ils peuvent piocher dans un large éventail de nanomatériaux minéraux, organiques, métalliques ou hybrides qui peuvent être classées en trois catégories : les lamellaires comme les argiles, talcs ou le graphite, les nano fibres comme les nanotubes de silice et de carbone et les particules nodulaires constituées, principalement, de silices, d’oxydes métalliques ou de noirs de carbone… 

Qui va nano va sano !

L’industrie des plastiques a d’abord cherché à tirer parti des effets nanométriques de ses additifs conventionnels. Par exemple, au lieu d’utiliser le dioxyde de titane comme simple pigment, sous forme de poudre de 1 à 2 microns, elle exploite désormais ses propriétés photocatalytiques qui, à l’échelle nanométrique, permettent d’oxyder les matières organiques grâce au rayonnement UV. L’adjonction de nano-dioxyde de titane confère ainsi aux revêtements et aux fibres polymères des propriétés autonettoyantes, qui facilitent notamment l’élimination de dépôts graisseux ou de composés organiques volatils.

L’une des applications les plus innovantes, à cet égard, est la mise au point récemment de textiles synthétiques lumineux imprégnés de nano-dioxyde de titane. L’introduction, dans la trame, de fibres optiques directement alimentées par des LED, accroît considérablement l’action dépolluante de la photocatalyse… Outre l’intérêt esthétique lié aux effets de lumière, ce procédé baptisé UVtex, ouvre une large gamme d’applications, au-delà de l’aseptie dans le secteur médical… Par exemple, pour la décontamination des résidus de pesticides ou d’hydrocarbure présents dans l’environnement. 

L'argent n'a pas d'odeur

L’argent est connu depuis longtemps pour ses propriétés germicides, à l’origine, sans doute, de la vogue de l’argenterie. Son utilisation sous forme de nanoparticules en suspension colloïdale connaît un essor ininterrompu depuis la fin des années 1990.
Grand consommateur, la filière des dispositifs médicaux intègre le nano-argent dans les polymères utilisés pour la fabrication des pansements, des masques chirurgicaux, des cathéters… Certains ciments pour os, à base de méthacrylate de méthyle (PMMA), en contiennent également.
Le secteur des textiles techniques tire parti des propriétés dépuratives du nano-argent dans les vêtements et équipements de sport anti-odeurs notamment. Dans le domaine de l’électronique et de l’électroménager, les nanoparticules d’argent sont incorporées aux revêtements plastiques en contact avec des matières putrescibles, comme le réservoir des aspirateurs, les claviers d’ordinateurs, les parois de machines à laver, de réfrigérateurs ou de climatiseurs… À cette  échelle, en somme, l’argent ne fait pas le bonheur mais il protège la santé.

Plastique biosourcé pour emballages haute sécurité

Les propriétés biocides du nano-argent sont mises également à contribution dans les emballages afin d’allonger la durée de conservation des aliments. Associée à des nanoparticules de silice, dans de nombreux polymères, son action se trouve encore renforcée.
Dans le registre des combinaisons innovantes, cependant, la palme revient au projet européen Dibbiopack. En phase d’industrialisation après trois années de développement, il a associé près d’une vingtaine de partenaires industriels et scientifiques pour la mise au point d’emballages biosourcés à base d’acide polylactique à vocation alimentaire, cosmétique ou pharmaceutique…

Biodégradable, ce plastique est généralement proscrit pour ce type d’utilisations en raison de ses propriétés barrières médiocres. La combinaison de nombreux nano-additifs a permis de contourner la difficulté… Quatre, rien que pour augmenter la résistance mécanique, l’inertie et l’imperméabilité de la matrice PLA : deux types de nano-argiles, du graphène sous forme lamellaire et des nanoparticules de magnésium enrobées d’acide oléique... À quoi s’ajoute, un vernis antimicrobien à base de nano-silicone… Et, cerise sur ce millefeuille nanotechnologique, un micro-capteur en plastique chargé de nanoparticules qui modifient la couleur de l’emballage lorsqu’il détecte plus de 2% d’oxygène à l’intérieur du contenant.

Des nanoparticules de teflon contre la pollution

La pollution par les hydrocarbures est l’une des plaies du milieu aquatique. Gravissime en cas d’accident maritime, elle est également problématique, à moindre échelle, dans le réseau fluvial et les zones portuaires. Pour y remédier, les chercheurs en charge du projet Smart Materials de l’Institut Italien de Technologie, à Gênes, ont imaginé une solution originale: une éponge, manœuvrable grâce à des champs magnétiques, qui absorbe les huiles en les séparant de l'eau.
Facilement reproductible à l'échelle industrielle, le procédé fait appel à des nanomatériaux peu couteux et réutilisables. Son matériau de base, la mousse de polyuréthane est traitée en deux étapes. Elle est d’abord imprégnée d’une solution contenant des nanoparticules d'oxyde de fer. On dépose ensuite à la surface de l’éponge des nanoparticules de polytétrafluoroéthylène, le polymère au pouvoir antiadhésif plus connu sous la marque Téflon. 

A l’issue de ce traitement, l’éponge acquiert des propriétés magnétiques, oléophiles et hydrophobes. Elle est alors capable d'absorber une quantité de substance huileuse correspondant à treize fois son poids.
Quant aux nanoparticules introduites dans la mousse, elles peuvent être récupérées après usage pour réutilisation ultérieure. Le procédé de dépollution repose donc sur un matériau innovant, intelligent et recyclable.