Modélisation des procédés de polymérisation en émulsion stabilisés par des particules inorganiques (stabilisation Pickering) – PickEP

L'objectif du présent projet est de développer une méthodologie pour la modélisation fondamentale des procédés de polymérisation en émulsion sans tensioactif stabilisée par des particules inorganique «la polymérisation en émulsion Pickering (PickEP)". Le modèle devrait décrire la cinétique de réaction dans les différentes phases, le transfert de masse (ex. radicaux) ainsi que l'évolution de la distribution de taille des particules (PSD), qui représente une propriété importante du latex. Le modèle recherché sera basé sur des sous-modèles individuels fondamentaux représentant la nucléation des particules, la croissance, la coagulation, la cinétique, etc. Ces sous-modèles sont des parties autonomes qui sont individuellement identifiés et validés expérimentalement et qui représentent un mécanisme élémentaire. Afin de réaliser un tel objectif interdisciplinaire, le présent projet fait intervenir des spécialistes de physico-chimie, de polymérisation et de modélisation de procédés. La méthodologie développée doit être générale de manière à pouvoir l’extrapoler à d’autres systèmes inorganiques (ex. silice). Le modèle obtenu permettra d'améliorer la compréhension de procédés et de développer une stratégie de commande afin d'améliorer la qualité du produit, principalement d’augmenter le taux de solides du latex, qui représente un grand intérêt industriel.
La stabilisation Pickering a récemment émergé comme une nouvelle méthode pour créer des particules nanocomposites colloïdales par adsorption de particules solides à l’interface solide-liquide. L'élaboration de latex composites permet de combiner les qualités de solides inorganiques aux avantages des polymères organiques ce qui permet d’améliorer les propriétés mécaniques et la résistance des films à l'eau. Une collaboration entre le Laboratoire de Chimie, Catalyse, Polymères et Procédés et le Laboratoire d'Automatique et de Génie des Procédés a permis de développer un procédé de production de latex couvert de silice par polymérisation en émulsion sans tensioactif. Le macromonomère poly(éthylène glycol) méthyle éther méthacrylate a été utilisé pour promouvoir l'adsorption de particules de silice à la surface des particules de polymère (Sheibat-Othman et Bourgeat-Lami 2009). La méthode a été appliquée avec succès aux particules d'argile (Bourgeat-Lami et al. 2010a, 2010b et, Sheibat-Othman et al. 2011). Ces études révèlent que l'optimisation des conditions du procédé est cruciale pour assurer la formation de suspensions colloïdales stables de latex composites. Ce système sera considéré dans ce projet pour le développement du modèle.
A ce jour, il n'y a pas d'études de modélisation dédiée aux systèmes de polymérisation d'émulsion Pickering, (alors qu’elle est bien établie pour la polymérisation en émulsion conventionnelle, comprenant la distribution de masse molaire du polymère et la PSD). Il y a pourtant des différences fondamentales entre la polymérisation en émulsion conventionnel et Pickering. Tout d'abord, la stabilisation Pickering a lieu principalement par répulsion stérique entre les particules inorganiques qui forment une barrière mécanique rigide empêchant les gouttelettes de coalescer. Les phénomènes électrostatiques ne contribuent pas sensiblement à la stabilité colloïdale. Deuxièmement, le mécanisme de nucléation est différent car il n'y a pas de micelles et il ne peut pas être décrit par des modèles habituels de nucléation homogène puisque la nucléation ne dépend pas de la concentration de particules inorganiques. Enfin, la présence de particules inorganiques à la surface des particules de latex affecte l'absorption et la désorption de radicaux qui influence la croissance des particules. Par conséquent, une étude de modélisation spécifique est nécessaire pour la polymérisation en émulsion Pickering.