Mise en oeuvre de mélanges vitrimères-thermoplastiques par extrusion réactive

Reactive processing of vitrimer-thermoplastic blends

• Auteur / Autrice : Liliana Joosten
• Direction : Eric Drockenmuller, Damien Montarnal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux polymères
• Date : Soutenance le 07/12/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Matériaux Polymères (Auvergne Rhône-Alpes ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Cassagnau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Drockenmuller, Damien Montarnal, Fanny Bonnet, François Tournilhac, Géraldine Cabrera Alvino
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fanny Bonnet, François Tournilhac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extrusion réactive

Polymères -- Détérioration

Polymères réticulés

Mots clés libres

Extrusion réactive

Séparation de phases

Mélanges vitrimères

Vitrimères

Reactive extrusion

Phase separation

Vitrimer blends

Vitrimers

Résumé

Les polymères réticulés sont utilisés dans une large gamme d’applications hautes performances. Bien qu’ils présentent des performances exceptionnelles, leur recyclabilité est intrinsèquement limitée à des méthodes coûteuses et énergivores et souvent peu désirable en termes de durabilité. Récemment, une nouvelle classe de matériaux appelés réseaux covalents adaptables (CANs) a été introduite. Les CANs contiennent des liaisons dynamiques contrôlées par des réactions d'échange activées sous l’action des stimuli tels que la température. Les mécanismes d'échange impliqués peuvent être classés en deux catégories : réactions dissociatives et associatives. Dans les réseaux dissociatifs, les liaisons sont d'abord rompues avant d'être reformées, tandis que dans les réseaux associatifs, également appelés vitrimères, les liaisons sont remaniées via des réactions d'échange réversibles sans compromettre l'intégrité du réseau. Même en l'absence de dépolymérisation, le remaniement rapide des liaisons induit une relaxation des contraintes et permet au matériau de s'écouler et de se remodeler. Les vitrimères pourraient donc être des éléments clés pour l’avenir du recyclage des matériaux réticulés et une étape nécessaire dans la transition du secteur des matériaux de haute performance vers une économie plus durable et circulaire. Pour permettre la mise en œuvre de la production des vitrimères au niveau industriel, l’évolutivité du procédé doit être prise en compte dès la conception du matériau. Premièrement, cette recherche explore la synthèse de mélanges vitrimères-thermoplastiques par extrusion réactive, en utilisant des éléments de base disponibles commercialement à faible coût, afin de combler le fossé entre la capacité de traitement à haut débit et les performances lors de l'application. Les performances mécaniques de ces mélanges vitrimères-thermoplastiques sont régies par la morphologie résultant du traitement réactif, qui peut être contrôlée en sélectionnant soigneusement la formulation (c'est-à-dire la nature chimique et la composition) et les paramètres de traitement. Les propriétés thermomécaniques de ces nouveaux matériaux et la rhéologie à haut cisaillement sont présentées, démontrant une excellente (re)transformation. Deuxièmement, le système développé est mis à l’échelle et porté au niveau semi-industriel, en utilisant l’extrusion réactive dans une extrudeuse à double vis conventionnelle. L'imprimabilité 3D est étudiée, démontrant une possibilité d'applications futures. Enfin, un système hautement polyvalent et modifiable a été créé, où la réponse peut être ajustée en fonction des besoins de l'application en adaptant soigneusement la formulation.

Cross-linked polymers are used in a wide range of high-performance applications. While they have an outstanding performance, their recyclability is inherently limited to methods that are cost- and energy-intensive and often not desirable in terms of sustainability. Recently, a new class of materials called covalent adaptable networks (CANs), were introduced. CANs contain dynamic bonds controlled by exchange reactions that are activated by triggers such as temperature. The bond exchange mechanisms can be classified in dissociative and associative reactions. In dissociative networks a cross-link is broken before it is reformed, whereas in associative networks, also referred to as vitrimers, the bonds are reshuffled via reversible exchange reactions without compromising network integrity. Even in absence of depolymerization, the fast bond reshuffling induces stress relaxation and allow the material to flow and be reshaped. Hence, vitrimers might be key elements in the future recycling of cross-linked materials, and in the necessary shift in the high-performance materials sector to a more sustainable and circular economy. To allow the implementation of vitrimer production at industrial level, the up scalability of the process needs to be considered already in the design of the material. First, this research explores the synthesis of vitrimer-thermoplastic blends by reactive extrusion, using commercially available low-cost building blocks, in order to bridge the gap between high-throughtput processability and performance during application. The mechanical performance of these vitrimer-thermoplastic blends is governed by the morphology resulting from the reactive processing, which can be controlled by carefully selecting the formulation (i.e. chemical nature and composition) and processing parameters. The thermomechanical properties of these new materials and high shear rheology are presented, demonstrating excellent (re)processability. Second, the developed system is up-scaled and brought to semi-industrial level, using reactive extrusion in a conventional twin screw extruder. Finally, a highly versatile and modifiable system was created, where the response can be tuned according to the needs of the application by carefully adapting the formulation.