Des chimistes du MIT conçoivent des plastiques résistants aux chocs

Grâce à une nouvelle molécule de réticulation, des chimistes du MIT ont montré qu’ils peuvent considérablement améliorer la résistance aux impacts balistiques de polymères courants, notamment le polystyrène et un type de caoutchouc utilisé pour fabriquer les semelles de chaussures.

Le polystyrène est un polymère dur et vitreux utilisé pour fabriquer de nombreux types de récipients en plastique, comme les bouteilles et les tasses, ainsi que les couverts jetables. On le trouve également dans les revêtements des appareils électroniques, et sa forme expansée est la base du Styrofoam et d’autres emballages légers. (Bien que parfois étiqueté avec le code de recyclage n°6, le polystyrène est difficile à recycler et rarement collecté pour être réutilisé aux États-Unis.)

Pour rendre le polymère plus résistant aux impacts soudains, l’équipe du MIT a ajouté des liaisons faibles dispersées dans tout le matériau sous forme de réticulations, ce qui permet au matériau de dissiper l’énergie beaucoup plus efficacement lors des déformations. Lorsqu’il est frappé par un projectile, ces liaisons faibles se rompent sélectivement au point d’impact pour ouvrir des voies d’absorption d’énergie améliorée.

Les chercheurs ont découvert que cette approche peut également renforcer le caoutchouc styrène-butadiène-styrène, et ils étudient actuellement si elle fonctionnera également pour d’autres types de polymères comme le latex ou le caoutchouc utilisé pour fabriquer les pneus.

« Ces réticulants peuvent considérablement augmenter la quantité d’énergie que le matériau absorbe sous un impact balistique. On peut imaginer de nombreuses applications, surtout si cela peut être généralisé à d’autres polymères », déclare Jeremiah Johnson, professeur de chimie A. Thomas Geurtin au MIT et membre du Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Johnson et Keith Nelson, professeur de chimie Haslam et Dewey, sont les auteurs principaux de l’étude, qui paraît aujourd’hui dans Nature. Les anciens postdoctorants du MIT Zhen Sang et Suong T. Nguyen, ainsi que l’étudiant diplômé du MIT Kwangwook Ko, sont les principaux auteurs de l’article.

Plastiques plus résistants

Dans une étude publiée en 2023, Johnson et ses collègues du MIT et de l’Université Duke ont montré qu’ils pouvaient rendre les polymères plus résistants en utilisant une stratégie contre-intuitive : ajouter des réticulants faibles répartis dans tout le réseau polymère. Ces liaisons faibles, également appelées mécanophores, se rompent dans des conditions de déchirement d’une manière qui aide à préserver les liaisons plus fortes qui supportent la charge, permettant au matériau de dissiper plus d’énergie.

« Lorsqu’une fissure commence à se propager dans le matériau, ces mécanophores se divisent en deux, ce qui aide à dissiper l’énergie et à rediriger le trajet de la fissure. Cela signifie que vous devez fournir plus d’énergie pour déchirer le matériau », explique Johnson.

Contrairement à leur étude précédente, qui examinait le renforcement dans des conditions de déchirement lent, la nouvelle étude publiée dans Nature visait à développer des stratégies activées par mécanophores pour résister à une déformation rapide, comme celle causée par un impact soudain. Les chercheurs étaient particulièrement intéressés par l’application de la stratégie à certains des polymères les plus utilisés, comme le polystyrène.

Pour ce faire, ils ont développé un moyen d’incorporer directement des mécanophores comme réticulations dans des polymères courants. Ensuite, ils ont utilisé un système inventé par Nelson — le test d’impact par microprojectile induit par laser (LIPIT) — pour étudier comment les polymères résultants réagissent aux impacts de projectiles. Avec ce système, de minuscules projectiles (des billes de silice d’environ 10 microns de diamètre) sont tirés sur le film à environ 750 mètres par seconde (plus de 1 600 miles par heure). La quantité d’énergie absorbée par le matériau peut être calculée en mesurant le changement de vitesse de la particule avant et après son passage à travers le film.

« Nous avons d’abord développé cette méthode pour étudier l’impact et la pénétration de microparticules dans des échantillons de polymères massifs, où nous surveillions la propagation des particules à travers environ 100 microns de matériau et analysions après impact comment la morphologie du polymère avait changé », explique Nelson. « Nos nouvelles mesures montrent combien d’informations supplémentaires peuvent être extraites des vitesses des particules avant et après la pénétration à travers une fine couche. Elles montrent également des motifs de déformation très informatifs pendant et après l’impact de la particule. »

Cette technique a permis aux chercheurs de simuler le type de forces qui pourraient être rencontrées dans le monde réel lorsqu’un objet en plastique est heurté par un autre objet, ou lorsque vous faites tomber votre téléphone par terre. Dans leurs expériences, les chercheurs ont montré que le polystyrène réticulé par mécanophores était capable d’absorber beaucoup plus d’énergie d’un impact que le polystyrène ordinaire.

« Il s’est avéré que le mécanophore entraîne des augmentations substantielles de la dissipation d’énergie par rapport au polystyrène non réticulé et au polystyrène réticulé de manière conventionnelle, un comportement qui n’avait pas été observé dans les travaux précédents connexes », déclare Johnson.

Absorption des chocs

Pour comprendre comment les mécanophores aident à rendre le polystyrène plus résistant aux chocs, l’équipe du MIT a sollicité l’aide de collaborateurs du MIT, de l’Université Purdue, de l’Université Northwestern et de l’Université Duke.

Grâce à des expériences et des simulations, ils ont découvert que lorsqu’une particule à grande vitesse frappe le matériau, elle élève la température au point d’impact suffisamment haut pour former une zone mobile. Dans cette zone, les liaisons des mécanophores sont sélectivement rompues sous l’effet de la force, ouvrant des voies contrôlées qui absorbent mieux l’énergie de l’impact tout en laissant la zone au-delà du point d’impact relativement inchangée et stable.

Les chercheurs ont également découvert qu’ils pouvaient insérer ces mécanophores dans du caoutchouc styrène-butadiène-styrène (SBS) — utilisé dans les semelles de chaussures ainsi que dans l’asphalte et les matériaux de toiture — et observer un effet similaire. Ils étudient actuellement si cette approche pourrait également fonctionner avec un matériau apparenté, le caoutchouc styrène-butadiène, qui est l’un des composants principaux des pneus.

Si elle réussit, cette technologie pourrait produire des pneus plus durables et également réduire la quantité de microplastiques générés lorsque les pneus entrent en contact avec la route, ce qui représenterait au moins 10 % des microplastiques dans l’environnement.

« Les matériaux avec des mécanophores absorbant l’énergie pourraient un jour aider à éviter l’éclatement des pneus de votre véhicule sur l’autoroute ou fournir des étuis plus protecteurs pour les appareils électroniques personnels », déclare Katharine Covert, directrice de programme du U.S. National Science Foundation Centers for Chemical Innovation, qui a investi dans la recherche de l’équipe. « Ces travaux montrent vraiment à quel point de nouvelles perspectives précieuses peuvent être rapidement générées en réunissant des chercheurs ayant différents domaines d’expertise. »

Article : Mechanophore cross-linking enhances ballistic energy dissipation of polymers – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude

Source : MIT