Durabilité de la nature : évaluation des risques environnementaux liés à la dégradation des polymères ignifuges
I. Introduction
Comparés aux additifs à petites molécules, les retardateurs de flamme polymères sont moins susceptibles de migrer de leurs matériaux hôtes en raison de leur plus grande taille moléculaire. Soit ils se lient chimiquement aux molécules de polymère (ignifuges réactifs), soit ils sont physiquement mélangés au polymère (ignifuges additifs) pour supprimer la propagation du feu.
Les ignifugeants polymères réactifs se lient chimiquement au matériau hôte lors de sa formation. Ils peuvent être classés en types de chaîne latérale ou de chaîne principale, selon que le produit chimique ignifuge est fixé en tant que groupe latéral ou intégré dans le squelette du polymère.
Bien que les retardateurs de flamme polymères ne soient pas intrinsèquement sujets à la migration, ils peuvent se décomposer progressivement en mélanges complexes de petites molécules au cours de leur utilisation. L'impact environnemental et la toxicité de ces dérivés sont inconnus.
Les retardateurs de flammes halogénés monomères ont été progressivement retirés de l'utilisation industrielle en raison de leur toxicité pour les humains et les écosystèmes. En guise de substituts, des retardateurs de flamme polymères sont produits et consommés en grande quantité. Cependant, ils peuvent progressivement se décomposer en mélanges complexes de petites molécules au cours de leur utilisation. L’impact environnemental et la toxicité de ces dérivés sont inconnus, ce qui rend difficile la gestion complète des risques associés. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé deux polymères à base de tétrabromobisphénol A (polyTBBPA) largement utilisés comme produits chimiques ignifuges modèles pour étudier leur comportement de dégradation environnementale et la toxicité des dérivés.
Figure 1. Enquête sur la dégradation du polyTBBPA et ses risques environnementaux ou sanitaires ultérieurs
Grâce à des études impliquant l'identification de dérivés, la dégradation simulée, l'enquête environnementale et l'évaluation de la toxicité, la recherche a révélé que les polyTBBPA se décomposent en produits plus petits dans l'environnement. Grâce à une stratégie de criblage non ciblée BrMiner, 76 produits de dégradation ayant des poids moléculaires compris entre 400 et 2 000 Da ont été identifiés. Ces produits ont été détectés dans des échantillons environnementaux provenant d’installations de recyclage de déchets électroniques en Chine. Les tests de toxicité sur les embryons de poisson zèbre ont montré que la toxicité augmentait après la décomposition du polyTBBPA, un dysfonctionnement mitochondrial étant identifié comme un mécanisme de toxicité clé. La recherche démontre que les retardateurs de flamme polymères présentent des risques environnementaux et que leur utilisation nécessite une évaluation et une réglementation approfondies.
II. Résultats et discussion
Figure 2. Établir la stratégie BrMiner
Grâce à l’analyse BrMiner, l’étude a réussi à identifier 76 composés liés aux polyTBBPA époxy et polycarbonate. Ces composés contenaient des squelettes TBBPA avec 3 à 14 atomes de brome et des poids moléculaires compris entre 465 et 2000 Da. L'exactitude de BrMiner a été vérifiée en analysant trois étalons de référence commerciaux et dix dérivés polyTBBPA synthétisés en laboratoire à l'aide de HRMS.
Figure 3. Exploration des produits et voies de dégradation du PolyTBBPA
Dans les expériences de photolyse, l’irradiation UV a entraîné une augmentation de la concentration de brome, indiquant une dégradation. Les produits générés dans différentes conditions UV étaient similaires, même si la lumière naturelle du soleil produisait légèrement moins de produits. La photolyse a donné plus de 200 dérivés. Les structures principales comprenaient deux ou trois molécules TBBPA liées par des groupes isopropanol ou carbonyle. Le rendement du TBBPA variait dans différentes conditions. Les voies de photodégradation comprenaient le clivage, la débromination, l'oxydation, l'hydroxylation et l'hydrolyse, les radicaux superoxydes jouant un rôle clé.
Figure 4. Répartition dans l'environnement des produits de dégradation du polybromodiphényléther
Dans les expériences de transformation microbienne, la conversion microbienne anaérobie a formé davantage de produits contenant 3 à 4 atomes de brome et une proportion plus élevée de produits avec m/z > 1 500 Da. Certains de ces produits ont été détectés dans des échantillons environnementaux. Les expériences de broyage à boulets ont également produit des dizaines de produits de dégradation, dont certains étaient présents dans des échantillons environnementaux. Le TBBPA-MME était un produit caractéristique du broyage à boulets, introuvable lors de la photolyse ou de la biotransformation, mais fréquemment détecté dans l'environnement.
Dans les sols des installations de recyclage des déchets électroniques, les dérivés polyTBBPA étaient omniprésents. Leurs concentrations cumulées étaient comparables ou supérieures à celles des retardateurs de flamme traditionnels. Les principaux composés comprenaient le TBBPA et le TBBPA mono(2,3-dihydroxypropyl éther), entre autres.
Des dérivés de compositions similaires ont été détectés dans les particules fines (PM2,5) provenant des installations de traitement des déchets électroniques et dans la poussière intérieure des maisons des travailleurs chargés du traitement des déchets électroniques, avec des concentrations comparables à celles du sol. Des dérivés du PolyTBBPA ont également été détectés dans la poussière des zones entourant les installations de déchets électroniques et des zones urbaines plus éloignées. Bien que l’abondance globale soit plus faible, la composition était similaire, ce qui indique leur large répartition dans l’environnement.
Figure 5. Toxicité pour le développement embryonnaire chez le poisson zèbre
Les tests de toxicité pour le développement de l'embryon de poisson zèbre ont montré que le mélange de produits de dégradation était plus toxique que les polyTBBPA d'origine. De multiples produits de dégradation ont contribué de manière significative à la toxicité du mélange, certains produits étant encore plus toxiques que le TBBPA lui-même. L'analyse du transcriptome a révélé que la photodégradation augmentait considérablement le potentiel de perturbation des polyTBBPA. Au niveau des gènes et des voies biologiques, le mélange dégradé avait une capacité de perturbation toxique plus forte que les polyTBBPA d'origine. Le dysfonctionnement mitochondrial a été confirmé comme le principal mécanisme de la toxicité développementale induite par le polyTBBPA. Il perturbe le métabolisme mitochondrial, entraînant une diminution de la concentration d’ATP et une augmentation de la production de mitoROS, affectant par la suite de multiples processus de développement chez les embryons de poisson zèbre.
III. Conclusion : Relever les nouveaux défis environnementaux grâce à la technologie ignifuge sans halogène
Comme l’a révélé l’étude Nature Sustainability, les retardateurs de flamme polymères contenant des halogènes peuvent présenter une toxicité accrue après dégradation et présenter des risques environnementaux généralisés. Associée à la restriction imminente du DBDPE dans le cadre de la réglementation REACH, la transformation sans halogène est devenue une tendance irréversible dans l'industrie des produits ignifuges.
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