Etude de l’auto-Assemblage de Copolymères à Blocs induit par Photo-Polymérisation pour l’Impression 3D – PIMPS3D

Le projet PIMPS-3D propose d’étudier un processus de mise en œuvre de matériaux polymères photo-polymérisés et auto-assemblés pour l’impression 3D dans le cadre d’une collaboration entre les instituts académiques IPREM et IS2M et la société Arkema. L’axe de recherche proposé présente un double intérêt. (i) Un intérêt de recherche fondamentale et expérimentale visant une meilleure compréhension des mécanismes de photo-polymérisation et d’auto-assemblage induit conduisant à des morphologies hors équilibre thermodynamique et visant aussi l’élaboration des relations entre les structures et les propriétés finales. (ii) Un intérêt industriel stratégique pour le développement d’une nouvelle filière innovante visant tout particulièrement l’impression 3D.
En effet, le projet PIMPS-3D s’inscrit dans un contexte de développement de matériaux polymères nano-structurés, par le biais de copolymères à blocs, dans le but de contrôler les propriétés de mise en œuvre et d’application des pièces imprimées (rhéologiques, résistance aux chocs, optiques, etc.) tout en intégrant la notion de recyclabilité. Pour cela, nous proposons d’utiliser le procédé PIMPS, pour Polymerization Induced Micro-Phase Separation. Cette approche consiste à dissoudre un macro-amorceur dans un monomère de nature chimique différente, ce qui conduit, par polymérisation en masse, à générer des copolymères à blocs ségrégés et ainsi des matériaux nano-structurés à conversion totale en monomère. L’intérêt de ce procédé de synthèse par rapport à l’utilisation de copolymères à blocs pré-synthétisés est une meilleure adéquation avec les contraintes de l’impression 3D.
A ce jour, et en dehors de l’application impression 3D, cette stratégie a été principalement appliquée via des procédés thermo-activés, et très peu photo-activés. Or, les procédés de photo-polymérisation connaissent actuellement un développement important avec des applications considérables dans le milieu industriel, c’est pourquoi nous proposons d’implémenter le procédé PIMPS photo-activé à l’impression 3D. Néanmoins, plusieurs défis sont à relever pour atteindre cet objectif tels que la maîtrise de l’amorçage et de la cinétique de polymérisation ainsi que de l’auto-assemblage induit et de sa caractérisation en continu.
Les procédés de photopolymérisation étant rapides, il est nécessaire de développer des techniques expérimentales de caractérisation adaptées, in situ, et résolues en temps afin de suivre l’évolution de la polymérisation et de la morphologie, de la solution initiale au matériau final ; mettant ainsi en évidence la relation Synthèse/ Réactivité/ Structuration. L’étude sera complétée par l’établissement des relations entre la structure effective et les propriétés sur les matériaux finaux obtenus par photo-polymérisation et par impression 3D, mettant ainsi en évidence l’impact de l’architecture macromoléculaire des copolymères sur les propriétés mécaniques ainsi que sur la stabilité des échantillons non-réticulés. En effet, les solutions visées, tout thermoplastique, permettront de s’affranchir des monomères multifonctionnels habituellement utilisés en impression 3D en s’appuyant sur la nano-structuration pour aboutir à des propriétés similaires voire améliorées et surtout permettre la recyclabilité des pièces imprimées. En parallèle, et dans le cadre d’une prestation avec la plateforme CANOE, nous développerons des méthodes d’impression 3D plus économes en monomère et en énergie, et aussi plus sûres en utilisant des méthodes par dépôt de matière originales pour générer, à façon, des matériaux recyclables et structurés de manière contrôlée du nanomètre au millimètre.