CD2I - Chimie Durable - Industries - Innovation

Compatibilisants pour les mélanges de polymères synthétiques et naturels – BIOBLEND

Bio-compatibilisants pour les mélanges de polymères synthétiques et naturels

Mélanger l’immiscible : vers des matériaux bio-sourcés performants

Concevoir et préparer des copolymères pour stabiliser des matériaux cellulose/polystyrène

Intégrer des polymères naturels dans les matériaux plastiques d’usage courant est un moyen de diminuer la part des composés issus des ressources pétrolières tout en augmentant la biodégradabilité du matériau final. Le projet BIOBLEND propose de fournir des molécules compatibilisantes qui permettent de tels mélanges sans altérer les propriétés du matériau. Ces molécules devant présenter des structures similaires aux deux espèces à mélanger mais pas forcément la même taille, l’idée est de greffer des chaînes de polystyrène sur un squelette de polysaccharide qui reste miscible à la cellulose sans en en avoir la complexité structurale. <br />La synthèse de tels copolymères est à mettre au point et nécessite, en parallèle, de développer les outils analytiques qui permettront de les caractériser de façon précise. L’enjeu est de comprendre les relations entre la structure du compatibilisant et sa capacité à stabiliser un mélange cellulose/polystyrène pour la production de matériaux bio-sourcés.

Le développement d’un procédé de synthèse ne peut se faire que grâce à un contrôle analytique adapté qui permet la caractérisation structurale des produits générés. Synthétiser une nouvelle classe de molécules telles que les compatibilisants visés dans ce projet nécessite la mise au point simultanée de méthodes performantes en synthèse polymérique et en chimie analytique. Le succès d’une telle entreprise nécessite une approche rigoureuse et progressive, partant de composés modèles simples pour aboutir à des polysaccharides afin de traiter, au fur et à mesure, les difficultés liées à la taille et au caractère amphiphile marqué du substrat qui constituent un verrou majeur de ce projet. La réalisation du projet implique une utilisation innovante de technologies existantes (polymérisation radicalaire contrôlée, spectrométrie de masse, résonance magnétique nucléaire, microscopie électronique en transmission) pour développer des méthodologies adaptées aux objets ciblés, tant au niveau de leur synthèse que de leur caractérisation structurale.

Les travaux menés dans le cadre du projet BIOBLEND ont permis la production contrôlée des copolymères souhaités. Le point bloquant qu’a constitué la faible solubilité des substrats saccharidiques nous a amenés à préparer ces copolymères à partir d’acétate de cellulose (soit un nouveau type de candidats pour la miscibilisation de l’acétate de cellulose avec le polystyrène) avant de les désacétyler pour obtenir, indirectement, les bio-compatibilisants initialement visés. La capacité de l’ensemble de ces macromolécules à stabiliser les mélanges cellulose/polystyrène reste à établir par les méthodes d’exploration développées lors du projet.

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Les avancées scientifiques qui ont donné lieu à publications scientifiques sont aussi bien des développements analytiques que des avancées dans le domaine des techniques de polymérisation. Les principaux résultats du projet BIOBLEND ont été diffusés sous la forme de 6 articles dans des revues scientifiques internationales, 8 conférences internationales (dont 2 sur invitation), 2 conférences nationales, et une dizaine de communications par affiche dans des congrès internationaux et nationaux.

L’utilisation de polymères naturels issus de ressources renouvelables comme alternative à la synthèse de polymères à partir de dérivés pétroliers se heurte à un obstacle majeur : l’absence d’outils analytiques performants pour décrire leur structure complexe de façon précise. Ce point limitant gène énormément le développement et le contrôle de procédés de greffage qui visent à modifier les polymères naturels, comme la cellulose, pour améliorer leurs propriétés macroscopiques. Des problèmes du même ordre sont rencontrés pour compatibiliser des polymères naturels et synthétiques. Par conséquent, les compatibilisants issus du greffage de chaînes polymériques sur la cellulose sont synthétisés de manière semi-empirique. Nous proposons une approche différente qui s’applique à développer à la fois des procédures de greffage et des méthodologies analytiques à partir de polysaccharides moins complexes et de taille plus faible et bien définie, pour produire des compatibilisants destinés à stabiliser des mélanges cellulose/polystyrène. Plus particulièrement, ce projet de recherche a pour objectifs de développer des méthodologies combinant la résonance magnétique nucléaire et la spectrométrie de masse pour caractériser de façon précise la structure des copolymères issus du greffage de segments polystyrène sur des squelettes polysaccharidiques. Un contrôle analytique systématique sera effectué pour déterminer i) la structure et la pureté des polysaccharides de départ, ii) le rendement de greffage des initiateurs, iii) la taille des segments polystyrène greffés et iv) la densité et l’uniformité du greffage. Pour synthétiser les copolymères greffés polystyrène/polysaccharides, nous mettrons en œuvre des stratégies de synthèse innovantes basées sur la polymérisation radicalaire contrôlée assistée par nitroxide, en utilisant l’agent de contrôle SG1 (phosphorylated N-(2-methylpropyl)-N-(1-diethylphosphono-2,2-dimethyl propyl)-N-oxyl ) pour permettre la croissance du polystyrène à basse température, une condition cruciale au regard de la stabilité thermique des polymères naturels. La capacité des copolymères ainsi produits à compatibiliser des mélanges cellulose/polystyrène sera déterminée, ce qui permettra aussi bien de guider de façon rationnelle l’optimisation de la synthèse que d’étudier les relations structure/propriétés de ces copolymères. Nos efforts de recherche seront consacrés à la fois à la chimie des polymères et à la spectrométrie structurale pour designer et synthétiser ces macromolécules, dans le but d’introduire des proportions croissantes de cellulose dans des matrices de polystyrène. De fait, cela améliorera la biodégradabilité du matériau final tout en limitant l’utilisation de ressources non renouvelables.

Coordinateur du projet

Madame Laurence CHARLES (UNIVERSITE AIX-MARSEILLE I [DE PROVENCE])

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LCP UMR 6264 UNIVERSITE AIX-MARSEILLE I [DE PROVENCE]
FR1739 UNIVERSITE AIX-MARSEILLE III
MMC UMR 7167 REGIE ECOLE SUPERIEURE DE PHYSIQUE ET CHIMIE INDUSTRIELLES DE LA VILLE DE PARIS

Aide de l'ANR 610 480 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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