Étude des mécanismes interdépendants d’élaboration d’une membrane polymère sans solvant organique par une méthode originale de séparation de phase (TIPS-LCST), à partir d’un polymère biosourcé : l’hydroxypropylcellulose

Study of interdependent mechanisms of a new polymeric membrane elaboration without organic solvent by phase separation process (TIPS-LCST) from hydroxypropylcellulose

• Auteur / Autrice : Amira Hanafia
• Direction : Denis Bouyer, Catherine Faur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 15/05/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Guenoun, Olivier Lorain, Damien Quémener
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Christophe Remigy, Olivier Boutin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éco-matériaux

Membranes (technologie)

Démixtion

Mots clés libres

Hydroxypropylcellulose

Membrane

Séparation de phase induite par la température

Hydroxypropylcellulose

Membrane

Thermally induced phase separation

Résumé

La séparation de phase au sein d'un système polymère/solvant est la méthode la plus couramment utilisée pour élaborer une membrane polymère poreuse. Les principales méthodes d'inversion de phase nécessitent l'usage de solvants organiques qui génèrent des problèmes environnementaux (traitement des bains de coagulation) et sanitaires (sécurité des installations industrielles). Cette étude porte sur le développement d'une nouvelle membrane polymère poreuse à partir d'un polymère biosourcé et hydrosoluble, l'hydroxypropylcellulose (HPC), permettant de s'affranchir de l'usage de solvants organiques. La propriété de thermosensibilité de l'HPC, caractérisé par une température critique basse en solution dans l'eau (LCST) de l'ordre de 40 °C, a par ailleurs permis de développer un procédé original d'élaboration de membranes HPC par séparation de phase induite par augmentation de la température au-delà de la LCST. Ce travail vise un triple objectif : (i) déterminer la formulation idoine permettant de former une membrane poreuse insoluble dans l'eau à partir d'HPC, (ii) appréhender et comprendre les mécanismes de structuration de la matrice polymère à travers l'interaction des mécanismes interdépendants de séparation de phase par décomposition spinodale, de réticulation chimique et d'extraction du solvant par évaporation et enfin (iii) caractériser l'aptitude des membranes à la filtration d'une solution aqueuse sous pression. Le suivi en ligne de la dynamique de séparation de phase d'un système HPC/eau/réticulant ± porogène (PEG200) par microscopie optique en contraste de phase, de la réticulation par rhéologie et de l'évaporation de l'eau par thermogravimétrie a ainsi permis de mettre en évidence l'impact de la formulation et des paramètres de conduite du procédé d'inversion de phase sur les propriétés morphologiques et d'usage des membranes. La porosité membranaire et le caractère symétrique de la morphologie ont notamment été corrélés à la vitesse des phénomènes concomitants de réticulation et d'évaporation de l'eau, donc à la vitesse de montée en température du procédé TIPS-LCST. La caractérisation de la perméabilité à l'eau des membranes HPC a confirmé l'efficacité de la réticulation et la résistance structurale des membranes au cours de plusieurs filtrations continues à l'eau. En raison du caractère thermosensible de l'HPC, ces membranes ont montré une aptitude remarquable à la filtration de solutions aqueuses à température élevée (60 °C). Par ailleurs, il a été montré que la perméabilité des membranes pouvait être en partie contrôlée par la température et la pression transmembranaire appliquée.

Phase separation of polyer/solvent system is the most widespread industrial process to manufacture membranes. Large solvent quantity is usually used whatever the process, hence leading to environmental (coagulation and washing baths treatment) and health (industrial and plant safety) problems.This study focuses on the development of new porous membranes made from hydroxypropylcellulose (HPC), a water soluble polymer, avoiding the use of any organic solvent. Moreover, the thermo-sensitive character of this polymer, characterized by a Lower Critical Solution Temperature (LCST) in water of about 40 °C, enabled to design an original thermally induced phase separation process by temperature increase above the LCST. This study aims (i) to find the ideal polymer solution composition to produce insoluble HPC membrane, (ii) to approach and understand the link between phase separation mechanism by spinodal decomposition, crosslinkig reaction and water extraction by evaporation, (iii) characterize pure water permeability under pressure. On-line monitoring of phase sepration dynamics by phase contrast optical microscopy, crosslinking reaction by rheology and water evaporation by thermogravimetric analysis of the system HPC/water/cross-linking agent ± porogen (PEG200) allowed an understanding of simultaneous and related mechanisms occurring during elaboration (phase separation / cross-linking / water evaporation) and a correlation with HPC membrane morphologies and characteristics in relation with phase separation process parametres. Pure water permeability characterization demonstrated the efficiency of cross-linking and structural strength during several filtration cycles. Furthermore, it has been shown that water permeability of HPC membranes could be controlled in part by the temperature and the applied pressure.