Poste de post-doctorant pour la recherche de matériaux composites à base PBT - Vitrimères - Saint-Avold (57) Nancy (54)
Mots-clés : Economie circulaire / Déchets
Contexte : Les polymères sont actuellement classés en deux familles : 1) Les thermodurs : il s’agit de polymères réticulés. La réticulation du réseau apporte au polymère d’excellentes propriétés mécaniques, notamment en température. Les thermodurs (époxy, polyester) restent très utilisés pour les composites à « hautes performances ». Le principal défaut de ces matériaux est lié au fait qu’ils sont non fusibles et donc ni récupérables ou recyclables. 2) Les thermoplastiques ne sont pas réticulés. Les propriétés de ces matériaux se dégradent considérablement en température. Au-dessus du point de fusion, ils deviennent liquides, ce qui peut poser de gros problèmes d’intégrité des structures voire de sécurité en cas de surchauffe ou d’incendie. Contrairement aux thermodurs, les thermoplastiques sont recyclables. Les vitrimères constituent une troisième classe de matériaux polymères qui a été découverte en 2011 à l’ESPCI [1]. Ces matériaux sont obtenus au moyen d’une chimie destinée à « introduire » des liaisons covalentes de réticulation au sein d’un polymère précurseur. Sous l’effet de la température ces liaisons deviennent « mobiles », ce qui modifie considérablement les caractéristiques rhéologiques du matériau. Le polymère présente alors des propriétés rhéologiques parfaitement inédites et potentiellement contrôlables qui permettent d’envisager des bénéfices considérables en termes de recyclabilité [2,3,4]. Un vitrimère « idéal » présente les caractéristiques suivantes. A l’état solide, aux températures de service, les liaisons de réticulation sont figées et le matériau a potentiellement les mêmes caractéristiques qu’un thermodur. A l’état fondu les liaisons de réticulation deviennent mobiles du fait de l’activation thermique, le matériau peut à nouveau s’écouler et reste potentiellement recyclable. On pourra par exemple reformer une pièce avec de la matière qui serait obtenue après un broyage mécanique. Cependant, il est possible de contrôler la viscosité pour que le matériau conserve un certain degré de stabilité dimensionnelle au-dessus de la température de fusion. Un verrou qui limite la large diffusion des vitrimères est lié aux difficultés de production de ces matériaux par les procédés industriels existants (extrusion, injection etc). La principale limitation provient de la viscosité de ces matériaux à l’état fondu. Pour ce projet, nous souhaitons produire du PBT vitrimérisé et des composites à base de PBT vitrimérisé. Comme cela a déjà été mentionné, aux températures de service, la réticulation du vitrimère est susceptible d’entraîner une amélioration significative des propriétés mécaniques. Il reste à démontrer qu’elles peuvent devenir comparables à celles des thermodurs. Il faut aussi vérifier que la rhéologie des vitrimères à l’état fondu permet réellement d’envisager des filières pour recycler ces matériaux. En complément de ce schéma général, il faut noter que les vitrimères possèdent d’autres atouts en termes de recyclabilité. Les chaînes des vitrimères sont plus longues que celles du PBT précurseur et les propriétés des matériaux recyclés devraient être moins affectées par le processus de broyage. Par ailleurs, le processus de vitrimérisation permet la soudabilité ou le mélange l’état fondu de vitrimères formés à partir de précurseur de natures différentes. Cette propriété permettrait de simplifier le tri des plastiques.
Description : Ce projet a pour objectif principal de synthétiser et d’analyser les propriétés de composites à matrice vitrimère-PBT (polytéréphtalate de butylène, polymère thermoplastique semi-cristallin) et à renforts particulaires ou fibreux. Le travail sera en grande partie réalisé par un chercheur post-doctorant qui sera recruté pendant un an. Le projet implique la participation entités complémentaires de l’Université de Lorraine (UL): 1) L’équipe rhéologie des matériaux nano et microstructurés du LEMTA (Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée, laboratoire public basé à Nancy), spécialiste de la thermomécanique et de la rhéologie solide des polymères et des composites. 2) L’axe génie des produits du LRGP (Laboratoire Réaction et Génie des Procédés, laboratoire public basé à Nancy), spécialiste du génie des procédés et de la rhéologie des polymères et des composites à l’état fondu. 3) La plateforme technologique PFT plastinnov basée à Saint-Avold, entité à but non lucratif chargée de favoriser le transfert technologique entre les laboratoires de recherche de l’UL et les industriels du secteur des plastiques et des composites. Les vitrimères constituent une nouvelle famille de polymères inventée au début des années 2010 à l’ESPCI à Paris. Ces matériaux sont réticulés au moyen de liaisons covalentes susceptibles de migrer sous l’effet de la température. Aux températures d’usage, la présence de liaisons de réticulation contribue à améliorer les propriétés thermo-mécaniques du matériau. En élevant la température, au-dessus de la température fusion pour un vitrimère à base thermoplastique, la migration des liaisons entre en jeu. Le matériau, bien que réticulé, devient alors malléable et reste donc possiblement recyclable. En principe, les vitrimères sont donc des matériaux recyclables qui, du fait de la réticulation, ont potentiellement les mêmes propriétés mécaniques que les thermodurs aux températures d’usage. Pour valider ce « concept », il reste encore à caractériser de façon exhaustive la rhéologie et les propriétés thermo-mécaniques réelles des vitrimères. Par ailleurs, la synthèse des vitrimères reste pour l’instant cantonnée aux laboratoires de chimie des polymères. Les volumes de production sont très limités et les procédés mis en œuvre ne sont pas transférables vers le monde industriel.
Objectifs et résultats attendus : L’objectif premier de ce projet est de produire d’analyser les propriétés de composites à base PBT vitrimère. Les charges seront des sphères de verre creuse ou des fibres de verres courtes. L'intérêt portera sur les points suivants : - Vérifier que la réticulation du PBT confère au composite formé des propriétés mécaniques comparables à celles des composites obtenus à partir de thermodurs. D’un point de vue plus fondamental, mais en lien avec les expériences, nous développerons des modèles physiques dont le point départ est la description fine de la microstructure du matériau. Cela permettra d’analyser précisément le bénéfice provenant du processus de vitrimérisation. - Vérifier que les vitrimères à précurseur PBT (et les composites à base PBT) sont effectivement recyclables. Dans un premier temps, il faudra retenir un recyclage mécanique. - Mettre au point des procédés de production et de mise en œuvre de ces matériaux. -Vérifier, que l’augmentation de la longueur des chaînes qui résulte de la vitrimérisation permet au matériau d’être moins affecté par le processus de recyclage. - Essayer de produire du PET vitrimérisé et s'assurer que la vitrimérisation permet d’améliorer les propriétés des mélanges PBT/PET. Cela pourrait contribuer à améliorer le processus tri/recyclage de ces matériaux.
Bénéficiaire : UNIVERSITE DE LORRAINE
Localisation : Saint-Avold, Grand Est, FRANCE
Début : 02/08/2021 — Durée : 15 mois
Budget total : 174272 € — Aide ADEME : 75000 €
Statut : Clos