– REACT-OP

1. Justifications scientifiques et objectifs Les polyoléfines – polymères à base de polyéthylènes (PE) et polypropylène (PP) – constituent la plus grande famille de polymères en termes de volume, avec une production annuelle de plus de 100 millions de tonnes – obtenus à 80% par catalyse supportée. Les avancées en R&D de ces dernières années ont permis aux polyoléfines de remplacer régulièrement des thermoplastiques ou d'autres matériaux plus coûteux ou plus polluants. Les progrès dans le contrôle de la structure macromoléculaire ont permis d'offrir une gamme plus large de propriétés à l'utilisateur. L'intérêt majeur des polyoléfines réside dans la simplicité de leur composition – seulement carbone et hydrogène. Bien que cela leur confère des avantages de coût et environnementaux, cela limite les possibilités d'étendre leur spectre de propriétés. Une possibilité d'extension réside toutefois dans l'optimisation de la structure du catalyseur et de son support, et/ou dans le contrôle de la croissance du polymère dans le réacteur. Cela requiert d'avoir une totale maîtrise des phénomènes complexes qui président à la production du polymère sur catalyseur supporté d'une part, du réacteur dédié et des phénomènes en compétition avec la chimie d'autre part. Les catalyseurs employés sont des structures physiques et chimiques complexes. Le site actif où la croissance de chaîne a lieu dérive généralement d'un chlorure métallique (TiCl4, Catalyseur Ziegler-Natta, ZN), d'un oxyde métallique (CrOx, catalyseur Phillips), ou d'un métallocène (complexe métal-dérivé du cyclopentadiène). Les précurseurs sont déposés sur des solides de haute porosité (MgCl2, catalyseur ZN; silice pour les autres) et le catalyseur résultant est souvent activé par un “cocatalyseur” (alkyl aluminium par ex.). Les défis rencontrés de nos jours par les producteurs de polymères et de catalyseurs comprennent:  Les interactions complexes entre le support et les précurseurs, ce qui conduit à une hétérogénéité d'activité.  La modification in-situ de la structure chimique; par exemple, l'exposition au monomère modifie le comportement des sites actifs. Ce type de modification est relativement typique de ces systèmes catalytiques. En outre, une surchauffe locale peut désactiver le catalyseur de manière imprévisible.  Les changements rapides de morphologie de la particule. Il apparaît que la morphologie de la particule de polymère est “gelée” dans les premières secondes de réaction.  Dynamique et cinétique fortement non linéaires. Il est impossible d'extrapoler les observations faites à 1 bar à des conditions plus réaliste (10-30 bar). L'emploi d'un réacteur fonctionnant dans ces conditions est incontournable pour obtenir des particules significatives. 2. Description du projet, méthodologie Le projet est centré sur la conception, le développement et l'utilisation de réacteurs dédiés à l'étude de la polymérisation à temps court (< 5 secondes). Pour ce faire, nous avons réuni un groupe de chercheurs spécialisés pour élaborer le corpus de connaissances adapté. Le travail a été divisé en trois tâches (dites WP!), chacune associée à un aspect spécifique du problème. WP 1. Conception de réacteurs dédiés au polymère naissant. On s'appuiera sur un réacteur déjà mis au point par les partenaires pour la polymérisation en suspension sur un horizon d'environ 40 ms. Les limitations inhérentes à ce réacteur seront levées, et surtout, on s'attachera à trouver des alternatives flexibles adaptées à la polymérisation en phase gazeuse, davantage attractive sur le plan environnemental. WP2. Contrôle de la morphology de la particule et impact sur le comportement “à long terme” de la transformation.Des études préliminaires ont démontré que l'environnement du catalyseur aux premiers instants conditionne son devenir à temps longs. Des expériences seront conçues pour explorer les effets des conditions de réaction sur la fragmentation et la cinétique à temps court. Des techniques récentes comme la holo-tomography RX ou la microscopie à force atomique seront utilisées pour caractériser la morphologie. WP3. Etude de la cinétique de polymérisation et des mécanismes sous-jacents. Une étude cinétique en conditions rigoureusement contrôlées sera effectuée pour comprendre le comportement des sites actifs; En interaction avec la tâche WP 1, on développera une cinétique quantitative décrivant le catalyseur. 3. Résultats attendus Ils comprennent:  De nouveaux réacteurs pour l'étude de la catalyse hétérogène de polymérisation à temps court (retombées évidentes dans d'autres domaines) *Analyse critique et description des processus fondamentaux de fragmentation de la particule. *Le premier modèle de fragmentation jamais validé expérimentalement *Plateforme de qualité internationale pour la catalyse hétérogène *La formation d'ingénieurs de pointe en conception et modélisation de procédés.