Silicones auto-réparables pour developpement en cablerie – ARCADE

Tout d'abord, un matériau modèle, déjà publié, dont les propriétés d'auto-réparation sont connues, va être étudié en détail pour explorer les interfaces après ruptures et leur réparation. Dans une autre voie, nous allons utiliser différentes stratégies pour modifier un élastomère thermoplastique commercial (un copolymère silicone urée) de telle sorte à lui donner des propriétés de réparation. Dans une dernière approche, tous les partenaires académiques vont travailler ensemble pour préparer différentes familles de précurseurs fonctionnels silanes, les greffer sur les chaines de silicone et sur la surface de la silice, et mettre tout ca en forme pour génrer des matériaux aux propriétés exacerbées.

A l'IMP, nous menons deux types d'études. Comme proposé dans la Tache 1 du projet, nous sommes en train d'adapter la chimie du système Leibler/Wang pour préparer des matériaux silicones auto-cicatrisants. Nous avons pu montrer que la chimie n'est pas aussi reproductible et nette que celle décrite. Nous sommes donc en train de mener une étude systématique pour comprendre chaque étape de la synthèse; nous sommes maintenant confiant sur les conditions opératoires. Nous appliquons cette technique à des silicones greffés amine pour préparer des silicones très mous (deux générations à ce stade ont été préparées). Nous sommes en train de regarder les propriétés cicatrisantes. Une autre stratégie, décrite dans la Tache 3, consiste à mettre en œuvre une chimie originale pour introduire à façon des groupes fonctionnels auto-associants tout en maitrisant la montée en masse des polymères. Un matériau cicatrise à température ambiante. .
A l' UPMC, comme prévu dans la Tache 2, 5 TPEs ont été synthétisés à partir de silicones aminés et de différents diisocyanates. Des «stoppeurs d'association« ont été designés pour apporter des propriétés dynamiques à ces matériaux rigides. Sur la vingtaine de molécules synthétisées et évaluées, certaines montrent des résultats d'auto-cicatrisation vraiment intéressants.
Le laboratoire MATEIS participe actuellement à la caractérisation des différents matériaux. Un post-doc a été embauché récemment pour générer plus d'information sur les propriétés mécaniques et micro-structurelles.

Un matériau montre des propriétés auto-cicatrisantes très intéressantes (cf figure attachée).

Communications:
1. ISPO 2017, Copenhagen (Poster, L. Fauvre and INSA)
2. EPF 2017, Lyon (Poster, L. Simonin and UPMC)
Brevet:
Un en préparation (UPMC).

Le projet ARCADE vise à préparer des matériaux élastomères dont les propriétés mécaniques suivent les spécifications de l'industrie du caoutchouc en termes de dureté, contrainte et élongation à la rupture, mais qui possèdent en outre une facilité intrinsèque à l'auto-cicatrisation. L'application finale envisagée est de haute valeur ajoutée: il s'agit de générer des gaines de câbles utilisés typiquement dans les TGV, que l'on voudrait à la fois solides mécaniquement et isolants (particulièrement à haute température) tout en étant auto-réparants à l'ambiante. Ceci est rendu particulièrement difficile par le fait que :
(a) des propriétés mécaniques importantes supposent un réticulation élevée et donc une faible mobilité des chaînes, ce qui va à l'encontre de l'auto-cicatrisation qui procède a priori par diffusion;
(b) une augmentation de température s'accompagne généralement d'une dégénérescence des interactions supramoléculaires telles qu'elles sont mises en œuvre dans des matériaux élastomères thermoplastiques (TPE), ceux-là même qui sont visés ici.

Une stratégie innovante est proposée pour surpasser ces difficultés: elle consiste à fonctionnaliser à la fois les chaînes de la matrice polymère et la surface de la charge de renfort avec différents agents associants, ce qui permettra de générer différents niveaux d'interactions supramoléculaires (faibles ou fortes) au sein du matériau, l'intensité étant en prime contrôlée par la température. Une approche de travaux convergents a été privilégiée, faisant appel simultanément aux compétences variées des différents partenaires (chimie supramoléculaire, chimie macromoléculaire, chimie-physique des matériaux) afin d'augmenter le taux de réussite du projet. 4 taches sont proposées, 3 conduites dès le démarrage du projet par les 3 partenaires académiques, et une tache transverse assurée par le partenaire industriel et les physico-chimistes du consortium.

Tout d'abord, un matériau modèle publié et connu pour posséder des propriétés auto-cicatrisantes, sera étudié en détail afin d'explorer les interfaces après déchirure et leur réparation, grâce aux expertises complémentaires des partenaires. Ensuite, nous proposerons différentes stratégies en phase avec les connaissances des partenaires, pour modifier un TPE commercial (un copolymère silicone urée) afin de le rendre auto-réparable. Pour la troisième tache, les trois partenaires académiques vont travailler de concert pour préparer différentes générations de précurseurs associants de type silanes, les greffer sur les chaines de silicones et la surface des particules de silice, et les mettre en œuvre pour obtenir des matériaux améliorés.
La tache transverse consistera à tester mécaniquement les propriétés massiques des nouveaux matériaux générés au cours de ce projet, dans un laboratoire académique pour les caractérisations conventionnelles et dans le centre de recherche industriel pour des tests spécifiques plus tournés vers l'application.

Les retombées annoncées de ce projet sont en phase avec les challenges fondamentaux et appliqués posés ici. Nous voulons comprendre la chimie et la physique des systèmes auto-réparants, tout en maitrisant la synthèse et la mise en œuvre de matériaux à base de silicones (mais dont les préceptes seraient étendus à d'autres polymères) utilisables par l'industrie des élastomères.