Synthèse et caractérisation de nouveaux copolymères fluorés électroactifs

Synthesis and Characterization of Novel Fluorinated Electroactive Copolymers

• Auteur / Autrice : Thibaut Soulestin
• Direction : Bruno Ameduri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 25/11/2016
• Etablissement(s) : Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Ameduri, Jean-Marc Lefebvre, Cristina Iojoiu, Vincent Ladmiral, Lei Zhu, Thierry Lannuzel, Sylvie Tence-Girault, Gilles Silly
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Lefebvre, Cristina Iojoiu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ferroélectricité

Piézoélectricité

Mots clés libres

Polymères fluorés

Piezoélectricité

Polymérisation radicalaire

Fluoropolymers

Piezoelectricity

Radical polymerization

Résumé

Piezotech, une start-up rachetée en 2010 par le leader français de la chimie, Arkema, développe et commercialise des copolymères fluorés électroactifs (EAPs). Ces copolymères présentent un grand intérêt pour des applications dans l’électronique imprimée, les capteurs, les actionneurs, les muscles artificiels, et le stockage de l’énergie. Les copolymères à base de fluorure de vinylidène (VDF) et de trifluoroéthylène (TrFE) possèdent les meilleures propriétés piézoélectriques et ferroélectriques (FE) parmi les polymères existants. L’introduction d’un termonomère, tel que le 1,1-chlorotrifluoroéthylène (CFE) ou le chlorotrifluoroéthylène (CTFE), modifie la conformation de la chaine polymère et change le comportement du matériau en relaxeur ferroélectrique (RFE). Le travail de thèse s’inscrit dans la recherche de nouveaux EAPs fluorés et la compréhension des relations structure-propriétés de ces matériaux. Après l’étude de la cinétique de copolymérisation avec le VDF et le TrFE de différents termonomères porteurs de groupements CF3, les terpolymérisations ont été examinées. Dans une première partie, le trans-1,3,3,3-tetrafluoropropène (1234ze), un termonomer qui n’homopolymérise pas, a été étudié. Des terpolymères de composition homogène ont été synthétisés. Ensuite, le 3,3,3-trifluoropropène (TFP) et le 2,3,3,3-tetrafluoropropène (1234yf) ont été terpolymérisés avec le VDF et le TrFE. Bien que les terpolymérisations batch amènent à une forte dérive de composition, un procédé de polymérisation en suspension en semi-continu a permis d’obtenir une meilleure homogénéité. Les propriétés thermiques et électroactives de tous les terpolymères ont été caractérisées. Dans une dernière partie, l’introduction d'une faible quantité d’un monomère fonctionnel (2-(trifluorométhyl) acide acrylique, MAF), dans les chaines du copolymère poly(VDF-co-TrFE), a permis une amélioration des propriétés d’adhésion sur le verre et le métal sans altérer les propriétés électroactives. L’étude des terpolymérisations avec le VDF, le TrFE et un termonomère porteur d’un groupement CF3 a contribué l’amélioration de la compréhension des relations structure-propriété dans les EAPs fluorés. En particulier, il a été montré que la réduction de la taille des cristaux n’est pas une condition suffisante pour obtenir un caractère RFE.

Piezotech, a start-up acquired in 2010 by the French leader in Chemistry, Arkema, develops and commercializes fluorinated electroactive copolymers (EAPs). These copolymers arouse a significant interest in printed electronics, printed memories, sensors, actuators, artificial muscles, and energy storage devices. Vinylidene fluoride (VDF) and trifluoroethylene (TrFE) -based copolymers are the polymers exhibiting the highest piezoelectric and ferroelectric (FE) properties. The introduction of a third slightly bulkier termonomer such as 1,1-chlorofluoroethylene (CFE) or chlorotrifluoroethylene (CTFE) was shown to modify the polymer chain conformation and change their electroactive behaviors into those of relaxor ferroelectric (RFE) materials. This PhD work aimed to discover new fluorinated EAPs and to better understand their structure-properties relationships. After the study of the kinetics of copolymerization of various CF3-bearing termonomers with VDF and TrFE; the terpolymerizations were investigated. First trans-1,3,3,3-tetrafluoropropene (1234ze), a non-homopolymerizable termonomer, was studied. Terpolymers with homogeneous compositions were synthesized. Then, 3,3,3-trifluoropropene (TFP) and 2,3,3,3-tetrafluoropropene (1234yf) were terpolymerized with VDF and TrFE. Although batch terpolymerizations resulted in terpolymers with strong compositional drift, the semi-continuous suspension process afforded better homogeneity. The thermal and electroactive properties of all the terpolymers were characterized. Finally, the introduction into poly(VDF-co-TrFE) copolymer chains of small amounts of a functional monomer (2-(trifluoromethyl)acrylic acid, MAF) allowed an increase of the adhesion properties onto glass and metal substrates without altering the electroactive properties. The study of the terpolymerizations of VDF, TrFE and a CF3-bearing termonomer contributed to a better understanding of the structure-properties relationships in fluorinated EAPs. Notably, the reduction of the crystal size was shown to be insufficient to afford RFE properties.