Thèse de doctorat (H/F) :Ingénierie des Matériaux Polymères-IMP UMR CNRS 5223)
CNRS
VILLEURBANNE, Rhône-Auvergne
il y a 6j

Description du sujet de thèse

En raison de leurs propriétés exceptionnelles telles qu'une transparence optique élevée, une résistance électrique élevée, une isolation thermique élevée, de bonnes propriétés thermomécaniques et une stabilité dimensionnelle, les réseaux époxy représentent d'importants matériaux polymères thermodurcissables estimés à 10,3 milliards de dollars pour .

En fait, ils sont largement utilisés. dans l'industrie comme les adhésifs, les peintures et les revêtements, les applications électriques et électroniques ainsi que les matrices composites pour l'automobile, les éoliennes et les applications aérospatiales 1-2 .

Cependant, la Fin de Vie des matériaux composites structuraux est un enjeu majeur du fait de la réticulation des matrices thermodures, c'est-à-dire non retraitables par fusion et des réseaux de polymères non solubles 3 .

Ainsi, la mise en décharge et l'incinération sont les méthodes les plus couramment utilisées pour ces matériaux, entraînant des impacts négatifs importants sur les écosystèmes, notamment la production de microplastiques.

Récemment, l'Union européenne (UE) et la pression socio-technique poussent l'industrie à minimiser l'impact environnemental des produits en concevant des solutions durables de recyclage des composites.

La directive européenne 99 / 31 / CE a introduit certaines réglementations qui interdisent la mise en décharge de grandes pièces composites, telles que les pales d'éoliennes.

De plus, une grande partie des pays européens ont imposé des taxes de mise en décharge ou interdit totalement la mise en décharge et l'incinération pour les composites comme l'Allemagne, la Finlande et les Pays-Bas 4-5 .

Le recyclage des matériaux composites renforcés de fibres jouera également un rôle crucial dans un avenir proche en raison de l'évolution rapide de la production aéronautique, automobile et marine, mais aussi en raison de la part croissante de l'énergie éolienne dans la production mondiale d'électricité 6 .

Différentes voies ont été explorées dans la littérature à travers le développement de réseaux de polymères atteignant leur Fin de Vie par le concept de conception pour dégrader , principalement par recyclage chimique (dégradation ou dépolymérisation en monomères ou oligomères) 7-8 .

Différents auteurs ont rapporté une approche de recyclage des réseaux époxy durcis à l'anhydride en utilisant un solvant alcoolique en présence de catalyseur induisant une réaction de transestérification 7-9 .

Cette procédure est aussi parfois appelée vitrimérisation. Après trempage et gonflement des réseaux résultants dans le solvant avec le catalyseur de transestérification, le réseau époxy peut être décomposé après plusieurs heures à plus haute température (>

C) et repolymérisé, extrudé, moulé par injection ou moulé par compression (Voir Figure 1) dix . D'autres auteurs ont introduit une liaison covalente dynamique dans la résine époxy thermodurcissable, c'est-à-dire un caractère réversible sous des stimuli spécifiques (température, exposition à la lumière UV, pH) (Covalent Adaptable Networks CAN) Par exemple, Odriozola et al ont développé une résine époxy avec des réticulations disulfure échangeables pour obtenir des composites thermodurcissables retraitables, réparables et recyclables 11 .

Dans ce travail, ils ont utilisé un durcisseur amine contenant des liaisons disulfure nommé 4,4ʹ-dithiodianiline (DTDA) avec de l'éther diglycidylique de bisphénol A (DGEBA) afin de produire des plastiques renforcés de fibres de carbone (CFRP).

Ils ont réussi à dissoudre complètement le CFRP dans un mélange de 2-mercaptoéthanol / diméthylformamide à température ambiante après 24 heures.

Aucune trace de contaminants, c'est-à-dire de prépolymère époxy, n'a été trouvée sur les fibres et les résidus d'époxy n'ont pas été réutilisés comme ressource recyclée 11 .

Néanmoins, les différentes stratégies nécessitent l'utilisation de solvants organiques volatils et parfois toxiques, des températures élevées et de longues durées.

De plus, la réutilisation de composés dépolymérisés ou dégradés a rarement été étudiée pour développer des matériaux recyclés.

Comme mentionné précédemment, de nouvelles réglementations imposent une responsabilité aux fabricants concernant leurs produits après leur fin de vie.

Ainsi, ils sont clairement poussés à concevoir et à exploiter une chaîne d'approvisionnement en boucle fermée. Dans une chaîne d'approvisionnement en boucle fermée ou en circularité des matériaux, les flux renvoyés par l'utilisateur doivent être intégrés en plus d'une étape de retraitement du produit en fin de vie en un produit utilisable sans décyclage 12 .

Très récemment, les Liquides Ioniques (IL) ont suscité un intérêt croissant dans le domaine des polymères thermodurcissables représentant une réelle opportunité pour concevoir de nouveaux matériaux polymères dédiés (multi)fonctionnels aux propriétés améliorées telles que les stabilités thermiques, les performances mécaniques, les propriétés barrières aux gaz ou à l'eau.

mémoire de forme et propriétés d'auto-guérison 13-16 . De plus, les IL ont un ensemble unique de propriétés physico-chimiques ainsi qu'une multitude de structures chimiques possibles représentant une nouvelle classe de solvants industriels combinés à leur capacité de recyclage.

S'appuyant sur la grande expertise de notre laboratoire dans le domaine des matériaux composites à matrice polymère associée aux compétences complémentaires de l'IMP sur les polymérisations par réaction (polyaddition époxy / amine et époxy-IL / amine), les objectifs de ce projet seront de concevoir matériaux polymères époxy innovants en maîtrisant leur fin de vie.

Afin d'assurer le succès du projet, la Synthèse et la caractérisation de réseaux époxy de référence et leur recyclage ternaire (dépolymérisation).

Des réseaux de référence ayant différentes températures de transition vitreuse, Tg, seront préparés et caractérisés. Ensuite, différents IL ou mélanges alcool / IL seront étudiés et utilisés pour catalyser la dépolymérisation (transestérification, aminolyse) et / ou la dégradation des réseaux.

Ainsi, différents paramètres tels que le choix pertinent de la combinaison cation / anion, la température, la durée peuvent être optimisés et déterminés en fonction de la nature chimique des réseaux thermodurcissables.

Contexte de travail

L'équipe IMP située à Villeurbanne sera impliquée pour son expertise sur le traitement et la caractérisation sur les systèmes époxy et les nanomatériaux issus des Liquides Ioniques.

Les activités de recherche du Laboratoire de Génie des Matériaux Polymères (IMP) vont de la synthèse de nouvelles architectures macromoléculaires et formulation de polymères au traitement de matériaux complexes (mélanges, (nano)composites, réseaux nanostructurés ) et établissement d'architecture-morphologie-polymère- relations de propriétés physiques.

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