CE06 - Polymères, composites, physique et chimie de la matière molle

Nouveaux designs de matériaux vitrimères et composites ayant des propriétés de résilience mécanique et de (re)mise en oeuvre améliorées – MATVIT

Nouveaux designs de matériaux vitrimères et composites ayant des propriétés de résilience mécanique et de (re)mise en oeuvre améliorées

Différentes chimies d'échange covalent dynamique et méthodes de mise en oeuvre sont explorées pour développer des mélanges de polymères et des matériaux composites à base de vitrimère en utilisant des matrices vitrimères de haute Tg. Leurs propriétés physiques, rhéologiques, thermomécaniques et de (re)mise en oeuvre sont étudiées en profondeur.

Les principales limites des vitrimères que nous abordons dans ce projet sont leur résistance au fluage et capacité de (re)mise en ouvre limitées.

MATVIT regroupe un consortium pluridisciplinaire associant des chercheurs reconnus dans le domaine des vitrimères (IMP et MMC) et le centre technique français des plastiques et composites (IPC). Nous proposons deux concepts révolutionnaires pour résoudre certains verrous technologiques empêchant l'utilisation généralisée des matériaux à base de vitrimère et afin d'élargir leur champ d'application dans des domaines de pointe. Le premier concept consiste à synthétiser des alliages polymères par des combinaisons réfléchies et innovantes de matériaux vitrimères: <br />i) des vitrimères «dual« impliquant deux réactions d'échange orthogonales dans le même réseau, donnant ainsi des matériaux avec des profils de viscosité et des capacités de remise en oeuvre largement modulables en fonction de la température. <br />ii) des réseaux interpénétrés (VIPN) à base de vitrimères peuvant être remis en oeuvre, constitués de deux réseaux indépendants: un réseau covalent à haute Tg légèrement réticulé et un réseau dynamique de vitrimères. <br />Le deuxième concept consiste à développer des composites à base de vitrimère comprenant des fibres longues et des matrices de vitrimère de haute Tg. Un choix judicieux des composants et l'application de profils de température et de contraintes permettront de préparer des matériaux avec une résistance mécanique améliorée et une récupération potentielle de la matrice vitrimère recyclable / retraitable.

Les principaux objectifs du projet MATVIT sont:
• Développer une nouvelle génération de matériaux vitrimères pouvant être remis en oeuvre par injection ou extrusion avec un débit plus élevé et offrant de meilleures propriétés que les matériaux thermodurcissables et thermoplastiques actuels.
• Comprendre les propriétés des vitrimères à partir de caractérisations structurales et mécaniques approfondies.
• Démontrer tout le potentiel des matériaux vitrimères dans des applications industrielles clés en utilisant des techniques de mise en oeuvre et de caractérisation de pointe.
• Analyser les besoins d'innovation du point de vue du marché final, définir les propriétés correspondantes exigées des vitrimères et proposer des solutions appropriées. Les quatre approches indépendantes et innovantes qui seront développées permettront de répondre aux besoins industriels en résines thermodurcissables hautes performances remodelables, soudables et recyclables.
• Diffuser les résultats scientifiques dans des revues et conférences scientifiques et promouvoir les matériaux vitrimères auprès des partenaires industriels (PME, grands groupes industriels et centres techniques européens) afin de pérenniser les résultats du projet MATVIT.

Les partenaires d'IMP et de MMC ont mis au point de nouvelles formulations de vitrimères ayant des températures de transition vitreuse élevées qui promettent d'être utilisées comme matrices dynamiques retraitables dans des matériaux composites à fibres longues. Elle a permis de mieux comprendre les propriétés viscoélastiques des matériaux vitrimères au sens large. Ces résultats ont abouti à quatre articles dans de bonnes revues de la communauté des polymères, dont deux couvertures de revues Macromolecules et Polymer Chemistry. En outre, les partenaires IMP et IPC ont atteint des résultats très prometteurs concernant l'élaboration de vulcanisats thermplastiques à base de vitrimère par traitement réactif. Ces résultats sont actuellement examinés plus avant avant leur valorisation et leur diffusion. De plus, depuis le début du projet MATVIT, le partenaire IMP a obtenu la coordination d'un projet de réseau de formation innovant (ITN) financé par la Communauté européenne (https://www.vitrimat.eu/). Ce projet a reçu trois millions d'euros et les deux autres partenaires MATVIT (MMC et IPC) sont impliqués respectivement en tant qu'organisations bénéficiaires et partenaires.

Jusqu'à présent, le projet MATVIT a ouvert des perspectives significatives concernant le développement de matériaux avancés à base de vitrimère qui devraient permettre une meilleure compréhension de la relation structure / propriétés de ces matériaux pour permettre leur utilisation dans des applications de pointe (par exemple adhésifs, thermodurcissables et composites. pour les biens de consommation, la construction, les loisirs, l’énergie éolienne et l’automobile). Ceci est d'autant plus important que les vitrimères portent la promesse de matériaux polymères et composites de nouvelle génération en ligne avec le développement durable et les exigences de l'économie circulaire des plastiques.

A. Jourdain, M. M. Obadia, J. Duchet–Rumeau, J. Bernard, A. Serghei, F. Tournilhac, J.–P. Pascault, E. Drockenmuller “Comparison of PEG–based Networks Obtained by Cationic ROP of Neutral and 1,2,3–Triazolium Diepoxy Monomers” Polym. Chem. 2020, 11, 1894.
A. Jourdain, R. Asbai, O. Anaya, M. Chehimi, E. Drockenmuller, D. Montarnal “Rheological Properties of Covalent Adaptable Networks with 1,2,3-Triazolium Cross-links: the Missing Link Between Vitrimers and Dissociative Networks” Macromolecules 2020, 53, 1884.
Q.-A. Poutrel, J. J. Blaker, C. Soutis, F. Tournilhac, M. Gresil “Dicarboxylic acid-epoxy vitrimers: influence of the off-stoichiometric acid content on cure reactions and thermo-mechanical properties” Polym. Chem. 2020, 11, 5327.
A. Jourdain, O. Anaya, I. Antoniuk, H. Ben Romdhane, D. Montarnal, E. Drockenmuller “High-Tg poly(1,2,3-triazolium) covalent adaptable networks combining fast reprocessing and high temperature mechanical stability” submitted to Macromolecules.

MATVIT gathers a multidisciplinary consortium involving recognized researchers in the field of vitrimers (IMP and MMC) and the French technical center on plastics and composites (IPC). We propose two ground-breaking concepts to solve some technological locks preventing their widespread use and to widen their scope of application. The first concept consists in synthesizing polymer alloys by thoughtful and innovative combinations of vitrimer materials:
i) dual vitrimers involving two orthogonal exchange reactions in the same network, thus affording materials with widely tunable temperature-dependent viscosity profiles.
ii) vitrimer-based interpenetrating networks (VIPN) that can be reprocessed, consisting of two independent networks: a high Tg, slightly cross-linked covalent network and a dynamic vitrimer network.
iii) dynamic thermoplastic vitrimer vulcanizates (TPV²) resulting from the dispersion of a vitrimer phase into a minor continuous thermoplastic matrix.
The second concept consists in developing “pre-stressed vitrimer composites” from long fibers and high Tg vitrimer matrices. Careful choice of components and application of temperature and stress profiles will enable to prepare materials with embedded compressive stresses with enhanced mechanical strength.

The main objectives of the MATVIT project are:
• To develop a new generation of vitrimer materials able to be reprocessed by injection or extrusion with higher throughput and offering better properties than current thermoset and thermoplastic materials.
• To understand the properties of vitrimers based on in-depth structural and mechanical characterizations.
• To demonstrate all the potential of vitrimer materials in key industrial applications using state-of-the-art processing techniques.
• To analyze innovation needs from the final market perspective, define the corresponding properties required from vitrimers, and propose appropriate solutions. The four independent and groundbreaking approaches described above will help answering the industrial needs for reshapable, weldable and reprocessable high performance TSs.
• To disseminate the scientific results in scientific journals and conference and to promote vitrimer materials toward industrial partners (SMEs, large industrial groups and European technical centers) in order to make the outcome of MATVIT project sustainable.

Coordinateur du projet

Monsieur Eric DROCKENMULLER (INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES)

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

IPC Centre Technique Industriel de la Plasturgie et des Composites / NA
MMC Laboratoire Matière Molle et Chimie
IMP INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES

Aide de l'ANR 464 347 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 42 Mois

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