Conception de matériaux polymères pour mousses innovantes

Design of polymer materials for innovative foams

• Auteur / Autrice : Liutong Hou
• Direction : Jannick Duchet-Rumeau, Jean-François Gérard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Polymères et Composites
• Date : Soutenance le 19/07/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Matériaux Polymères (Auvergne Rhône-Alpes ; 2007-....) - Ingénierie des Matériaux Polymères - Site INSA Lyon / IMP
• Jury : Président / Présidente : Jiří Kotek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jannick Duchet-Rumeau, Jean-François Gérard, Jiří Kotek, Eric Leroy, Francesca Nanni, Sébastien Livi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Leroy, Francesca Nanni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liquides ioniques

Mousses plastiques

Composites polymères

Matériaux

Mots clés libres

Matériaux polymères

Composite

LIonomères

Liquide Ionique

Anhydride maléique

Mousse microcellulaire

CO2 supercritique

Dionomère

Polymer materials

Composites

LIonomers

Ionic Liquids

Maleic anhydride

Microcellular foams

Supercritical CO2

Dionomer

Résumé

En combinant du polypropylène greffé (PPgMA) et des liquides ioniques (ILs), la nouvelle génération dionomères (appelés LIonomers) a été conçue et adaptée pour la première fois dans ce travail. Les LIonomères ayant les meilleures propriétés seront ensuite utilisés pour préparer des matériaux légers en utilisant du dioxyde de carbone supercritique (scCO2) comme agent physique. Dans la première section, quatre liquides ioniques à base de phosphonium (PhIL) et doux liquides ioniques à base dimidazolium (ImIL) ont été mélangés avec du PPgMA pour préparer des LIonomères via les interactions entre les paires cation/anion et les groupes polaires du PPgMA. La structuration des LI dans les LIonomères se produit à partir dun processus de séparation nano/microphase. Lexistence dinteractions ioniques-ioniques et ioniques-dipolaires qui pourraient être activées dans plusieurs conditions. De telles combinaisons IL/polymère prouvent lexistence dinteractions entre le groupe anhydride maléique et le cation ou lanion composant le liquide ionique. Ces interactions peuvent être accordées par la nature du cation et de lanion mais dépendent également de la teneur en IL et en MA. Les ILs peuvent également affecter le processus de cristallisation selon différentes voies. Grâce aux interactions anhydride maléique/IL, un excellent compromis entre la rigidité et létirabilité a pu être obtenu dans certaines conditions spécifiques, ouvrant la voie au traitement de nouveaux matériaux à base de polyoléfines. Dans la deuxième section, un liquide ionique fonctionnel à base dimidazolium a coopéré avec le PPgMA pour réaliser un autre nouveau type de LIonomères. Leffet de quatre facteurs, à savoir la teneur en MA et en IL, la dispersion du liquide ionique et la longueur des "branches de type liquide" assemblées à partir des paires cation/anion de lIL sur les propriétés à létat solide et à létat fondu, a été étudié. La réactivité de ce liquide ionique amino-fonctionnalisé pourrait non seulement améliorer la compatibilité avec la matrice PPgMA et par conséquent la dispersion (à léchelle nanométrique), mais aussi avoir un impact sur le comportement de relaxation, en particulier sur la fraction amorphe rigide où ils sont situés. Grâce à la présence dun groupe amino terminé, lintensité du réseau ionique généré dans ce LIonomère tend à être plus forte que celle obtenue dans les travaux précédents. En outre, les propriétés de plusieurs LIonomères préparés ont été comparées à celles du Zn-Ionomer traditionnel. En conclusion, les LIonomères montrent une tunabilité considérable grâce aux combinaisons anion-cation caractéristiques et illimitées des ILs. Lapplication sur des matériaux légers est réalisée en utilisant du dioxyde de carbone supercritique comme agent physique. Dans la dernière section, la stratégie de moussage a été menée sur certains LIonomères sélectionnés en raison de leur performance globale exceptionnelle.

By combining polypropylene grafted (PPgMA) and ionic liquids (ILs), the new generation of ionomers (denoted as LIonomers) has been designed and tailored for the first time in this work. The LIonomers owing best properties are then used to prepare lightweight materials considering supercritical carbon dioxide (scCO2) as the physical agent. In the first section, four phosphonium-based ionic liquids (PhILs) and two imidazolium-based ionic liquids (ImILs) have been mixed with PPgMA to prepare LIonomers via the interactions between cation/anion pairs and polar groups of PPgMA. The structuration of ILs in LIonomers occurs from a nano/microphase separation process. The existence of strong ionic-ionic and ionic-dipolar interactions could be activated in several conditions. Such IL/polymer combinations prove the existence of interactions between the maleic anhydride group and the cation or anion composing the ionic liquid and then generating an ionic network highlighted by the improved molten strength. These interactions can be tuned by the nature of cation and anion, but also depend on the IL content and MA content. ILs could also affect the crystallization process according to different pathways. Thanks to the maleic anhydride/IL interactions, an excellent compromise between stiffness and stretchability could be achieved under some specific conditions, paving the way for processing new polyolefin-based materials. In the second section, one functional imidazolium-based ionic liquid is cooperated with PPgMA to realize another new kind of LIonomers. The effect of four factors, i.e. maleic anhydride (MA) and IL content, dispersion of ionic liquid and the length of “liquid-like branches” assembling from the cation/anion pairs of IL, on the solid and melt state properties have been studied. The reactivity of this amino functionalized IL could not only enhance the compatibility with the PPgMA matrix and as a result dispersion (nanoscale), but also impact the relaxation behavior, particularly rigid amorphous fraction (RAF) where they locate. Thanks to the presence of the terminated amino group, the intensity of generated ionic network within such LIonomer tends to be stronger than others obtained in previous work. In addition, the properties of several prepared LIonomers have been compared with that of traditional Zn-Ionomers. The LIonomers display considerable tunability thanks to the characteristic-limitless anion-cation combinations of ILs. The application of lightweight materials is realized using supercritical carbon dioxide (scCO2) as the physical agent. In the last section, the foaming strategy has been conducted on some selected LIonomers owning outstanding overall performance. The foamability and compressive properties of pure PPgMA have been improved significantly thanks to the successful design of LIonomers.