Terpolymères Fluorés Electroactifs pour Actionneurs – FETA

Le projet FETA s’intéressent aux terpolymères électroactifs fluorés constitués des monomères VDF, TrFE et CTFE. Ces terpolymères P(VDF-ter-TrFE-ter-CTFE) sont Relaxeur-Ferroélectriques (RFE) et électrostrictifs. Ils se déforment sous champ électrique, réagissent à une pression mécanique ou à un changement de température en générant un courant, et présentent une constante diélectrique élevée. Ils sont synthétisés et développés par Arkema et sa filiale Piezotech pour des applications dans les domaines de l’électronique organique (transistors, les diodes électroluminescentes ou les mémoires), de la robotique ou du médical (capteurs, actionneurs…)
L’électro-activité de ces polymères est liée à l’existence d’un moment dipolaire dans les trois monomères. Dans ces polymères semi-cristallins, les dipôles localisés dans les phases amorphes et cristallines et susceptibles de s’orienter sous l’action d’un champ électrique, ne se comportent pas de la même manière. Les propriétés électro-actives de ces polymères sont directement liées aux propriétés structurales cristallines et morphologiques induites par la microstructure des chaines et la mise en forme du matériau. Dans les études publiées, les propriétés RFE sont expliquées par la distribution des CTFE (moins mobiles et portant un faible moment dipolaire) le long de la chaine dans les cristaux. Ils fractionnent l’étendue des domaines ferroélectriques en nanodomaines mobiles sous champ électriques mais incapables de maintenir une polarisation. L’origine microscopique de la déformation induite par le champ électrique est encore très discutée. Il est reconnu de manière unanime que la mise en forme, la structure et la morphologie influencent ces propriétés, mais aucun lien n’a été établi. A l’heure où des applications émergent, une compréhension fondamentale du comportement macroscopique de ces terpolymères en lien avec leur constitution microscopique (chimique et structurale) est nécessaire pour optimiser leurs propriétés et permettre ainsi de renforcer la compétitivité d’Arkema.
Le consortium de FETA qui réunit 2 équipes de recherche académique (ICGM et PIMM) ainsi que des chercheurs d’Arkema s’appuie sur de solides travaux et expériences passées et rassemble tous les domaines d’expertise nécessaires en matière de synthèse, de caractérisation avancée et de connaissance de l’organisation structurale et morphologique des polymères fluorés pour atteindre les objectifs du projet. L’approche de FETA repose sur :
- Une analyse du procédé de synthèse associée à une étude de la microstructure des chaines par RMN en solution pour connaitre la répartition des unités CTFE dans les chaines.
- Des études de diffractions de rayons X aux grands angles et de RMN du solide, de terpolymères ayant des teneurs en CTFE différentes et en fonction de la température, pour préciser la répartition des monomères et donc des dipôles dans les cristaux et dans la phase amorphe.
- L’évolution des propriétés macroscopiques (constante diélectrique) et le comportement mécanique (déformation) pour différentes compositions et mises en forme (traitement thermiques et confinement) pour comprendre l’influence de la morphologie sur les propriétés.
- Les évaluations microscopiques (in-operando SAXS-WAXS et PFM) et macroscopiques (mesures de déformation) des comportements sous champ électrique d’actionneurs ayant différentes compositions et morphologies.
Cette approche permettra de comprendre l’influence du CTFE dans la chaine macromoléculaire, son action et sa localisation dans le cristal et dans la phase amorphe ; et d’expliquer comment la rotation des dipôles présents dans les phases cristallines, amorphes et aux interphases induit une polarisation et une déformation sous l’application d’un champ électrique. Cette connaissance d’importance cruciale permettra d’élaborer des terpolymères encore plus performants et mieux adaptés à chacune des applications visées.