Etude et développement de latex vitrimères obtenus par PISA

Study and development of vitrimer latex obtained by PISA

• Auteur / Autrice : Maxime Beaugendre
• Direction : Corinne Soulié-Ziakovic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 30/01/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie moléculaire, macromoléculaire, matériaux (Paris ; 2005-....) - Chimie Moléculaire, Macromoléculaire et Matériaux (UMR7167)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Montes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Soulié-Ziakovic, Pascal Carrière, Yohann Guillaneuf, Renaud Nicolaÿ, Muriel Lansalot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascal Carrière, Yohann Guillaneuf

Mots clés

Mots clés libres

Latex PISA

Film

Chimie covalente dynamique

Imine

Vitrimère

PISA latex

Film

Dynamic covalent bond

Imine

Vitrimer

Résumé

La chimie covalente dynamique est un outil efficace pour développer des matériaux polymères qui répondent aux enjeux écologiques actuels (recyclabilité, réparabilité). Nous avons implémenté la liaison imine dans des films de latex synthétisés selon les concepts PISA (Polymerization-Induced Self-Assembly). Les particules de latex sont constituées d’une écorce hydrophile de PMAA et d’un cœur hydrophobe de MMA, BA et d’un monomère porteur d’une fonction pendante benzaldéhyde (B). La réticulation imine des latex est réalisée à l’étape de séchage par ajout d’une diamine. L’étude de ces films montrent que leurs propriétés mécaniques et vitrimères sont limitées par (i) une réticulation permanente qui apparait au cours de la polymérisation en raison de réactions de transfert du monomère BA activées par le monomère B et (ii) la percolation des écorces de PMAA, polaires et rigides, qui restreignent la coalescence des particules. Pour pallier ces difficultés, le monomère BA a été remplacé par le monomère EHMA. Les films obtenus ont des propriétés mécaniques comparables au système initial et sont solubles. Dans une autre étude, le macro-agent RAFT ionique PMAA a été remplacé par un agent non ionique, le PNAM. Les propriétés thermo-mécaniques et la remise en forme à chaud de ces films sont nettement améliorées, démontrant ainsi que la nature ionique de l’écorce est un frein à l’obtention de revêtements performants et durables. Enfin, nous avons montré l’efficacité de liens uréthane vinylogue pour leur apporter aux films une résistance au fluage (double réticulation), notamment aux hautes températures quand les réactions d’échange des imines sont rapides.

Dynamic covalent chemistry is an efficient tool to develop polymeric materials that respond to current ecological issues (recyclability, repairability). We have implemented imine bonds in latex films synthesized according to PISA concepts (Polymerization-Induced Self-Assembly). The latex particles consist of a hydrophilic shell of PMAA and a hydrophobic core of MMA, BA and a monomer bearing a benzaldehyde pendant function (B). The imine cross-linking of the latexes is achieved at the drying stage by adding a diamine. The characterization of these films shows that their mechanical and vitrimeric properties are limited by (i) a permanent cross-linking which appears during the polymerization due to transfer reactions of the BA monomer activated by the B monomer and (ii) the percolation of the polar and rigid PMAA shells, which restrict particules coalescence. To overcome these issues, the BA monomer was replaced by the EHMA monomer. The new films have mechanical properties comparable to the initial system and are soluble. In another study, the ionic RAFT macro-agent PMAA was replaced by a non-ionic agent, PNAM. The thermo-mechanical properties and the reprocessing of these films are significantly improved, thus demonstrating that the ionic nature of the shell is a hindrance to obtain efficient and durable coatings. Finally, we have shown the efficiency of vinylogous urethane bonds to provide creep resistance to the films (double cross-linking), especially at high temperatures when the imine exchange reactions are fast.