Matériau omniprésent dans notre quotidien, le plastique est résistant, léger et peu coûteux. Il a révolutionné nos modes de vie : électroménager, santé, automobile, bâtiment, agroalimentaire… Depuis les années 1950, sa production mondiale a explosé, dépassant aujourd’hui plusieurs centaines de millions de tonnes par an. La gestion de la fin de vie de ces flux représente un défi majeur. Actuellement, moins de 10 % du plastique est recyclé ; le reste est soit incinéré soit enfoui ou mis en décharge, favorisant la libération des déchets plastiques vers l'environnement. Il est ainsi devenu une source majeure de pollution. Son accumulation massive dans l’environnement soulève désormais de réelles questions quant à ses effets sur les écosystèmes.

Mais au fait, c’est quoi exactement, le plastique ?

Il n’existe pas un plastique, mais des plastiques. Leur composition varie selon l’usage, mais ils ont tous un point commun : ils sont constitués de polymères.

Un polymère est une longue chaîne formée par l’assemblage de petites molécules appelées monomères, constituées principalement de carbone et d’hydrogène. Ces monomères sont reliés entre eux par des liaisons chimiques, formant une structure stable et résistante.

À cette structure de base sont souvent ajoutés des additifs, qui modifient les propriétés du plastique : résistance aux UV, retardateurs de flamme, agents colorants, plastifiants, antioxydants, etc. (Figure 1).

Figure 1: Des plastiques neufs à l'échelle macroscopique et moléculaire (Chaise de jardin, emballage alimentaire, bouteille d’eau, gaine de câble électrique)

La dégradation du plastique : un processus complexe

Quand on jette un sac plastique dans la nature, ou lorsqu’un mobilier de jardin reste dehors plusieurs années, ces objets sont exposés à divers phénomènes environnementaux : rayonnement UV, pluie et humidité, vent, chocs ou pressions mécaniques liés à l’usage.

À l’échelle moléculaire

L’exposition aux rayonnements UV, combinée à la présence d’oxygène, entraîne des transformations chimiques au sein des polymères. Les longues chaînes moléculaires réagissent avec l’oxygène : on parle de phénomènes d’oxydation.

Ces réactions provoquent la formation de nouveaux groupements chimiques (en orange, Figure 2B) et la rupture des chaînes polymère en fragments plus courts. Ces fragments peuvent libérer des molécules plus petites appelées oligomères (encadré rouge, Figure 2B).

À l’échelle macroscopique

Ces altérations chimiques se traduisent de manière visible par des changements de couleur, une perte de brillance, l’apparition de fissures et/ou une fragilisation du matériau (Figure 2A).

Figure 2 : Comparaison d’un plastique neuf et d’un plastique usé à l'échelle (A) macroscopique et (B) moléculaire

Ces modifications chimiques et physiques génèrent différentes pollutions. En effet, lorsque l’exposition est prolongée dans le temps, des molécules volatiles (comme du monoxyde de carbone ou de l’acide acétique) provenant des ruptures de chaîne sont libérées et des microplastiques (5 mm - 1 µm) et/ou des nanoplastiques (1000 nm - 1 nm) peuvent se détacher du plastique.

Notre compréhension du devenir des plastiques dans l'environnement reste encore limitée. En effet, les mécanismes et les vitesses de dégradation restent encore mal connus, car tous les plastiques ne réagissent pas de la même manière. Leur composition chimique, la nature et la proportion des additifs, ainsi que leur épaisseur ou leur structure, influencent fortement la rapidité et les modalités de ces transformations.

Mon projet de thèse

Mon projet de thèse consiste à comprendre comment différents types de plastiques se dégradent dans l'environnement. Il s'agit d'identifier les mécanismes de dégradation, d'évaluer les modifications au sein des polymères au cours du vieillissement, ainsi que les produits de dégradation émis. L'objectif final est d'établir une « empreinte environnementale » en fonction des conditions d'exposition.

Une recherche en laboratoire pour reproduire et mieux comprendre ces mécanismes

Au laboratoire, nous soumettons différents types de plastiques à un protocole de vieillissement accéléré. Pour cela, nous reproduisons certaines conditions environnementales, notamment deux facteurs clés : l'exposition solaire, simulée par une lampe UV, et les précipitations, reproduites par une agitation dans l'eau.

Nous analysons ensuite les transformations subies par les matériaux afin de répondre à plusieurs questions :

• Comment leur structure chimique a-t-elle été modifiée ?
• Quels types de polluants ont été émis et en quelles quantités ?
• Quels microplastiques ont été produits ?
• Quelles sont leurs tailles, leurs formes et leurs caractéristiques chimiques ?
• Quels mécanismes ont conduit à la formation et à la libération de ces polluants ?

Pour répondre à ces questions, nous utilisons différentes techniques d’analyse, notamment des microscopes et des méthodes de caractérisation chimique.

Nos travaux ont déjà mis en évidence l’influence de la composition en additifs sur la vitesse et les mécanismes de dégradation des plastiques.

Exemple 1 : la chaise de jardin

Un plastique résistant aux UV

Les chaises de jardin en plastique contiennent généralement une forte proportion d’additifs anti-UV. Ces additifs protègent le matériau du soleil… mais cette protection est limitée dans le temps. Lorsqu’ils ont tous réagi et ont été consommés, la surface du plastique commence à se dégrader (Figure 3).

À l’échelle macroscopique, la chaise perd sa brillance, blanchit et devient friable.

À l’échelle moléculaire, nous observons une oxydation en surface et sur une faible profondeur.

Dans un premier temps, cette dégradation entraîne la libération de petites molécules volatiles. Ensuite, sous l’effet de l’usage, de la pluie et du vent, le matériau se fragilise davantage. Progressivement, de petits fragments se détachent : ce sont les microplastiques.

Dans ce cas précis, nous avons identifié un mécanisme de dégradation appelé délamination : le plastique se sépare en fines couches successives, un peu comme une pâte feuilletée, tout en conservant globalement sa forme initiale. Ce processus produit principalement des microplastiques relativement réguliers et de petite taille, ce qui complique leur détection dans les prélèvements environnementaux.

Concrètement, ce phénomène correspond aux petits résidus blanchâtres, que l’on observe parfois à la surface des vieilles chaises en plastique, qui finissent par se détacher et se disperser dans l’environnement.
L’analyse de l’eau en contact avec ces matériaux révèle également la présence des additifs initialement incorporés dans la chaise, qui sont progressivement libérés au cours de la dégradation.

Figure 3 : Schéma d'un plastique utilisé en extérieur subissant un mécanisme de délamination

Exemple 2 : l’emballage plastique

Peu d’additifs, moins résistant aux UV

Les emballages plastiques (films alimentaires, barquettes, suremballages…) ne sont pas conçus pour durer. Ils contiennent peu ou pas d’additifs anti-UV et sont beaucoup moins épais qu’une chaise de jardin (Figure 4).

En conséquence dès qu’ils sont exposés au soleil, ils se dégradent rapidement. Visuellement, la surface perd sa brillance, des fissures apparaissent et l’ensemble du matériau se fragilise. À l’échelle moléculaire, l’oxydation ne se limite pas à la surface : elle peut affecter l’ensemble du matériau.

Dans ce cas également, une fraction du matériau s’évapore sous forme de molécules volatiles. Mais sous l’effet de la pluie et du vent, le matériau perd rapidement son intégrité : il se fragmente, c’est-à-dire qu’il se casse en microplastiques irréguliers, présentant une grande
diversité de formes et de tailles.

Figure 4 : Schéma d'un plastique utilisé comme emballage subissant un mécanisme de fragmentation

Ces deux exemples montrent que tous les plastiques ne se dégradent pas de la même manière. Une chaise de jardin, riche en additifs anti-UV et généralement épaisse, résiste plus longtemps à l’exposition solaire : sa dégradation est lente et progressive. En revanche, un emballage plastique, pauvre en additifs et beaucoup plus fin, se dégrade beaucoup plus rapidement lorsqu’il est exposé aux mêmes conditions. La nature et la quantité d’additifs influencent donc non seulement la vitesse de dégradation, mais aussi les mécanismes impliqués et les sous-produits formés.

Dans le cas de la chaise de jardin, la dégradation se produit par délamination, qui génère des microplastiques relativement réguliers, en taille et en forme, et libère progressivement des additifs. L’emballage plastique, quant-à-lui, se dégrade par fragmentation et forme des particules de formes et de tailles variées. À ces microplastiques s’ajoutent également d’autres formes de pollution, comme l’émission de petites molécules volatiles issues des réactions d’oxydation et la libération d’additifs dans l’eau ou les sols, qui peuvent eux-aussi avoir des impacts environnementaux. Le devenir du plastique dans l'environnement est fortement conditionné par sa composition initiale.

Pourquoi c’est important ?

Ce travail de thèse nous permet de mieux comprendre comment les plastiques se dégradent en fonction de leur composition, de leur structure et de leur usage. En identifiant les mécanismes de dégradation, nous pouvons anticiper non seulement la vitesse à laquelle un matériau va se transformer, mais aussi la nature des microplastiques et des sous-produits chimiques qu’il va générer.

Dans le contexte actuel de pollution massive par les plastiques, ces résultats prennent une dimension particulièrement concrète. Les écosystèmes sont en effet exposés à une diversité de particules et de composés : microplastiques aux formes variées, nanoplastiques, additifs relargués dans l'eau et les sols, ou encore produits d'oxydation. Mieux caractériser ces mécanismes permet ainsi d'affiner l'évaluation de l'impact environnemental réel des plastiques sur l'ensemble de leur cycle de vie, et d'apporter des éléments scientifiques indispensables pour orienter les stratégies de gestion et de réduction de cette pollution.

Enfin, ces travaux ouvrent des perspectives en matière d'éco-conception. En intégrant dès la conception la question de la dégradation et des sous-produits formés, il pourrait être possible de développer des matériaux mieux adaptés à leur fin de vie, qui limiteraient la formation de particules persistantes et la libération de composés nocifs.