Fabrication de tubes de cathéter biocompatibles Production durable de polyuréthane sans isocyanate toxique

Les polyuréthanes sont présents dans de nombreux produits, notamment les meubles rembourrés, les mousses ou les matériaux isolants, les revêtements de sol, les vernis et même les cathéters médicaux. La fabrication de ces plastiques très demandés fait appel à de l'isocyanate toxique. Des chercheurs de l'institut Fraunhofer ont désormais mis au point un procédé de production alternatif utilisant du dicarbamate, une substance inoffensive.

Les composés chimiques de type isocyanate sont toxiques et provoquent des allergies ou de l'asthme. Ils restent toutefois indispensables à l'industrie chimique : ils sont notamment nécessaires à la fabrication des polyuréthanes (PUR). Ces plastiques sont extrêmement polyvalents et sont donc utilisés dans de nombreux produits. Bien que le produit final ne contienne plus d’isocyanates, leur fabrication nécessite des mesures de sécurité particulières afin de les tenir à l’écart des personnes et d’éviter tout risque pour la santé. Dans le cadre du projet « CO2NIPU » (Non-Isocyanate Polyurethanes, NIPU), des chercheurs de l’institut Fraunhofer ont réussi pour la première fois à fabriquer des polyuréthanes sans utiliser d’isocyanates.

Le dicarbamate comme substitut de l'isocyanate

Pour ce faire, le chef de projet, le Dr Christoph Herfurth, de l'Institut Fraunhofer pour la recherche appliquée sur les polymères (IAP), et son équipe ont remplacé l'isocyanate par du dicarbamate, une substance inoffensive. Ce nouveau procédé rend la production de plastiques plus simple et plus sûre, et les employés n'ont pas besoin de suivre une formation spécifique pour se protéger contre cette substance toxique. Autres avantages : les émissions de gaz à effet de serre sont réduites. En effet, les chercheurs utilisent du dioxyde de carbone pour la production de dicarbamate. De plus, ils développent des méthodes de recyclage afin de réutiliser les matériaux PUR usagés. Outre le Fraunhofer IAP, l’Institut Fraunhofer des technologies chimiques (ICT), l’Institut Fraunhofer des techniques de fabrication et de la recherche appliquée sur les matériaux (IFAM) et l’Institut Fraunhofer des technologies environnementales, de sécurité et énergétiques (UMSICHT) ont également participé au projet commun « CO2NIPU ». Herfurth souligne les avantages du projet : « Les polyuréthanes à base de dicarbamates possèdent des structures moléculaires identiques à celles des PUR classiques à base d’isocyanates. Il est donc possible de s’appuyer sur le savoir-faire existant pour obtenir les propriétés matérielles souhaitées pour le produit final ou l’application. »

Système modulaire pour les propriétés des matériaux

Les chercheurs ont perfectionné le procédé en vue d'une application industrielle. Différents produits chimiques sont mélangés dans des proportions bien précises, ce qui permet d'obtenir les propriétés souhaitées. Des « agents d'allongement de chaîne » contribuent à la réticulation des groupes moléculaires et confèrent au matériau des propriétés élastiques ou adhésives. Les diols polymères assouplissent le plastique, tandis que le dicarbamate, utilisé en remplacement de l'isocyanate, déclenche le processus chimique. Une fois mélangés, ces produits chimiques sont fondus et agités à des températures comprises entre 180 et 190 degrés Celsius. Une fois refroidis, les experts testent des caractéristiques telles que la résistance à la traction ou l’élasticité. Les isocyanates étant très réactifs, les polyuréthanes se forment souvent en quelques minutes. Si l'on utilise des dicarbamates moins réactifs, le même processus dure certes six à huit heures, mais il est en revanche beaucoup plus facile à contrôler et à réguler. Cela permet de réduire les rebuts et les variations de qualité dans la production.

Économie circulaire pour l'industrie des matières plastiques

Les dicarbamates sont fabriqués chez le partenaire du projet, Fraunhofer UMSICHT, à l'aide d'un procédé à haute pression. À une pression de 50 bars, le méthanol et le CO₂, un gaz à effet de serre, sont synthétisés avec des diamines pour former des dicarbamates. Le Fraunhofer ICT développe des procédés de recyclage pour les polyuréthanes usagés, provenant par exemple d’anciennes mousses, qui sont ensuite transformés en nouveaux produits en PUR. « Nous contribuons ainsi à l’objectif d’une économie circulaire durable sans émissions de gaz à effet de serre », résume M. Herfurth. Comme première application, les chercheurs du Fraunhofer ont ciblé la fabrication de tubes de cathéter biocompatibles dans le domaine de la technologie médicale. Le Fraunhofer IFAM utilise le système modulaire variable pour développer des adhésifs permettant de fixer les canules au tube.

La technologie permettant de produire des polyuréthanes sans isocyanate ne se limite désormais plus au laboratoire. « Nous sommes désormais en mesure de produire plusieurs kilogrammes de NIPU dans notre centre technique. La prochaine étape consistera à produire plusieurs centaines de kilos de NIPU au Centre Fraunhofer d’installations pilotes pour la synthèse et la transformation des polymères (PAZ) à Schkopau », explique M. Herfurth.