Fonctionnalisation et polymérisation de dérivés phénoliques naturels : Vers des matériaux aromatiques biosourcés

Functionalization and polymerization of natural phenolic compounds : Towards materials from biobased aromatics

• Auteur / Autrice : Maxence Fache
• Direction : Sylvain Caillol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 20/11/2015
• Etablissement(s) : Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Lacroix-Desmazes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Caillol, Patrick Lacroix-Desmazes, Jean-Pierre Pascault, Henri Cramail, Florent Allais, Bernard Boutevin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Pierre Pascault, Henri Cramail

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lignine

Bisphénol A

Vanilline

Polymères biosourcés

Mots clés libres

Époxy

Biosourcé

Vanilline

Polymère

Bisphénol A

Epoxy

Bio-Based

Vanillin

Polymer

Bisphenol A

Résumé

Ce travail s'inscrit dans le domaine très actif de la synthèse de polymères biosourcés. Les polymères époxy ont été choisis comme cible car ils présentent une double problématique de substitution du bisphénol A et d'utilisation de ressources renouvelables. L'objectif de ce travail est donc de préparer des polymères époxy biosourcés et d'évaluer leur potentiel en tant que substituts des solutions actuelles. Afin d'atteindre des propriétés thermo-mécaniques suffisantes, des composés naturels aromatiques doivent être utilisés. En effet, le cycle aromatique apporte rigidité et stabilité thermique au réseau. La vanilline est une des seules molécules aromatiques extraites de la biomasse qui soit disponible en quantités industrielles. Elle est obtenue par dépolymérisation en milieu basique et oxydant de lignine. Récemment, la préparation de polymères renouvelables à partir de vanilline a été intensivement explorée ; une revue sur ce sujet a été rédigée. La vanilline a servi de brique de base pour la préparation d'une plateforme de dérivés possédant des fonctionnalités variées. Des monomères diamine, diepoxy, ou dicyclocarbonate dérivés de vanilline ont – entre autres – été synthétisés. Les monomères diepoxy ont été réticulés avec un durcisseur amine commun et les polymères obtenus ont été caractérisés. Leurs propriétés thermo-mécaniques ont été reliées à la structure des monomères. Ces polymères époxy potentiellement biosourcés ont des propriétés comparables à la référence à base de bisphenol A. Afin de pouvoir moduler ces propriétés, des oligomères époxy de longueurs différentes ont été synthétisés à partir de vanilline selon la même méthode que celle utilisée industriellement. Ces oligomères et les polymères époxy qui en sont issus présentent effectivement des caractéristiques modulables. D'autres méthodes de contrôle des propriétés ont été testées, comme la préparation et la polymérisation de nouveaux durcisseurs aminés biosourcés, ou celle d'un monomère époxy trifonctionnel à partir de vanilline. Le polymère potentiellement biosourcé préparé à partir de ce dernier composé présente de meilleures propriétés que la référence à base de bisphénol A. Finalement, un travail portant plus sur la ressource a été réalisé. Des mélanges de composés phénoliques modélisant les produits obtenus lors du procédé de synthèse de vanilline à partir de lignine ont été préparés. L'utilisation de tels mélanges au lieu de la vanilline pure serait bénéfique autant économiquement qu'écologiquement. Ces mélanges ont été glycidylés, puis polymérisés, et les matériaux obtenus caractérisés. Les excellentes propriétés obtenues permettent d'envisager d'intégrer ce débouché à une bioraffinerie.

The background of this work is the synthesis of bio-based polymers, a very active area of research. Epoxy thermosets were chosen as target because of the double problematic of bisphenol A substitution and of renewable resources use. Thus, the aim of this work is to prepare bio-based epoxy thermosets and to evaluate their potential as substitutes of current formulations. In order to display good thermo-mechanical properties, these polymers have to be prepared from renewable aromatics. Indeed, aromatic cycles bring rigidity and thermal stability to the network. Vanillin is one of the only aromatic molecules available from biomass at an industrial scale. It is obtained from the alkaline oxidative depolymerization of lignin. Recently, the preparation of renewable polymers from vanillin has been intensively explored; a review on this subject was compiled. Vanillin served as a building-block to prepare a platform of derivatives bearing various functions. Di-amine, di-epoxy, or di-(cyclic carbonate) monomers – among others – were synthesized. The di-epoxy monomers prepared were cross-linked with a common amine hardener and the polymers obtained were characterized. Their thermo-mechanical properties were linked to the monomers structure. These potentially bio-based epoxy thermosets have properties comparable to the bisphenol A-based reference. In order to tune these properties, vanillin-based epoxy oligomers were synthesized by the same method as the one used industrially. The properties of these oligomers and of the thermosets prepared from them could indeed be modulated. Other means of controlling the properties were tested, like the preparation and polymerization of new bio-based amine hardeners, or of a vanillin-based, tri-functional epoxy monomer. The thermoset prepared from this last compound displayed better properties than the bisphenol A-based reference. Finally, a work more centered on the resource was performed. Mixtures of phenolic compounds modelling the products of the lignin-to-vanillin process were prepared. The use of such mixtures instead of pure vanillin could be advantageous both from an economic and an ecologic point of view. These mixtures were glycidylated, polymerized, and the materials obtained were characterized. The excellent properties displayed by these materials allow a potential integration of this strategy in a bio-refinery.