Association de la technologie micro-ondes à des systèmes polymères réactifs sans solvant à l'état fondu – MOMix

MOMix est un projet multidisciplinaire innovant impliquant des laboratoires et entreprises spécialisés réellement complémentaires en modélisation thermique, micro-ondes, procédés et chimie des polymères. Le projet ambitionne une vraie rupture technologique, dans les procédés mettant en œuvre des polymères à l'état fondu et sous fort cisaillement.

Le double objectif, à terme, est d’intégrer la technologie micro-ondes dans des outils de transformation comme source de chauffage rapide sans inertie depuis l'état solide jusqu'à l'état fondu et d’activateur efficace de réactions chimiques dans une extrudeuse bivis corotative, procédé continu largement en faveur du développement durable. Le projet MOMix propose d'aborder ce sujet en s'intéressant à des problématiques scientifiques associées jamais étudiées de TRL 2 à 4.

Des études fondamentales permettront de comprendre les interactions onde-matière à l’état solide pour modéliser les cinétiques thermiques pour fondre des polymères. L’étude de l’interaction polymère micro-ondes sera étendue à des polymères fondus couplés à des réactions chimiques sous forts cisaillements, afin de quantifier l’effet sur l’accélération des réactions dans ces conditions particulières.
Au moyen d'outils numériques dédiés aux micro-ondes, aidés des modèles de thermique établis et d'un logiciel de simulation numérique 3D du procédé adapté spécifiquement, la réalisation d'un premier démonstrateur sera effectuée: une cuve spécifique de 70 cm3 d'un mélangeur interne existant équipée de deux rotors.

Servant d'abord d'outil de vérification expérimentale, il permettra de valider les modèles de thermiques établis avant de servir pour l’élaboration expérimentale de nouveaux matériaux polymères d'origine naturels, sans solvant et à l'état fondu, en profitant des fortes accélérations cinétiques reconnues par la sélectivité des micro-ondes capable de chauffer spécifiquement un catalyseur ou des fonctions réactives.

L'idée de combiner énergie micro-ondes et fort cisaillement est de profiter de l'efficacité de mélange pour dissiper toute hétérogénéité de température souvent présente dans le cas de l’application de micro-ondes. Cela permettra aussi d'accélérer fortement les temps de réaction dans les procédés comme l'extrusion où la chimie reste peu utilisée en raison des temps de résidence souvent trop courts pour mener une réaction chimique jusqu'à son terme. La complémentarité attendue entre procédé et rayonnement serait donc bilatérale dans le cas d'un procédé continu.

Le projet prévoit d'aborder aussi des questions fondamentales autour de la rhéologie car il n'existe à ce jour aucune étude pouvant décrire le comportement rhéologique de polymères ou systèmes polymères à l'état fondu sous l'effet d'un champ électromagnétique dans les fréquences micro-ondes. Une modification des comportements rhéologiques nécessiterait la détermination de nouvelles lois nécessaires, à terme, pour la simulation correcte du procédé.

L'exploration de ce nouveau champ disciplinaire au fort potentiel de débouchés nécessitera la conception d'équipements spécifiques pour effectuer des mesures diélectriques indispensables (epsilon' et epsilon" en fonction de T), de thermique et de rhéologie ainsi que l'élaboration d'un capteur fluxmètre innovant pour des mesures en ligne de température et de flux de chaleur.

Le projet MOMix devra nécessairement déboucher sur un projet aval de TRL 5 à 7, déjà envisagé, pour transposer les résultats obtenus vers des procédés industrialisables en rupture pour ensuite produire des matériaux inédits grâce aux effets combinés d'un chauffage et d'une réactivité sélectifs que seules les micro-ondes peuvent le permettre. Les applications concernent tout système polaire ou partiellement polaire comme des matériaux d'origines naturelles (polysaccharides, protéines, lignocellulosiques), ioniques, ou chargés où la chimie sous micro-ondes est en très fort essor depuis le début des années 2000.