Vitrimère

Les vitrimères sont un nouveau type de polymères organiques (découvert au début des années 2010 par le chercheur français Ludwik Leibler, directeur de recherche au CNRS[1],[2]), classé entre les thermodurcissables et les thermoplastiques, qui pourraient permettre de produire des matériaux composites aux propriétés intéressantes, peu coûteux et susceptibles d'être fabriqués à partir de déchets de plastiques, même mal triés[3].

Histoire

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Les vitrimères ont été découverts au sein du laboratoire Matière molle et chimie de l'ESPCI Paris entre 2010 et 2012.

Selon E Chabert (2015) les premiers vitrimères étaient « basés sur l’équilibre chimique très classique de transestérification[4] entre un alcool et un ester où l’échange du groupe alkyl forme un nouvel alcool et un nouvel ester. Le mécanisme réactionnel est bien connu[5],[6] (...) Il est caractérisé par le maintien constant du nombre de liaisons et de la connectivité moyenne ». Les réactions secondaires qui dégraderaient le polymère final sont évitées par l'utilisation de catalyseurs ; des sels métalliques[7], et des bases amines[8] ont été utilisées. Les sels de zincs ont été retenus, présentant l'avantage d'un faible coût et d'être facilement disponible[3]...

Le tout premier vitrimère synthétisé reposait sur une réaction chimique époxy classique entre l'éther diglycidylique de bisphénol A (DGEBA) et un mélange de biacides et triacides gras (Pripol 1040). Puis différents vitrimères durs ou mous ont été testés, de même que des vitrimères fabriqués à partir de déchets de plastique. Le vitrimère lui-même se montre facile à recycler (fondu et remoulé par injection pour produire un nouveaux polymère aux propriétés identiques)[3].

Propriétés

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Les plastiques disponibles les plus résistants aux solvants sont dits réticulés ou thermodurcissables (leurs assemblages moléculaires internes sont consolidés par de nombreux nœuds, qui sont en fait des liaisons chimiques), mais ils ont l'inconvénient de ne plus pouvoir être mis en forme une fois polymérisés. Inversement, les polymères thermoplastiques (non-réticulés ou en réseau chimique réversible) sont malléables, mais ils sont très solubles dans de nombreux solvants voire se dégradent dans de l'eau savonneuse[3].

Les vitrimères, nouvelle classe de plastiques, ont une structure interne qui est une forme particulière de réticulation, dite « dynamique » ou « réversible », où les liaisons entre macromolécules sont plutôt physiques que chimiques[9], et peuvent être défaites et refaites, avec possibilité d'interchanger certaines molécules ; leur réseau chimique interne est permanent mais sa topologie peut être réorganisée grâce à des réactions d’échange qui maintient le nombre de liaisons constant. Ceci les rend à la fois insoluble et malléable[3].

Les vitrimères sont les seuls matériaux organiques connus présentant des propriétés viscoélastiques semblables à celles du verre.
Un vitrimère a la propriété d'être malléable tel du caoutchouc au contact de la chaleur et, une fois refroidi, d'assurer une résistance aux chocs qui s'apparente à celle du verre[10] et ils sont bien moins vulnérables aux solvants que les plastiques thermodurcissables[3].

Il peut être travaillé presque comme le verre sous la flamme ou dans un four et sa très bonne viscoélasticité à haute température permet qu'il soit soudé (en « soudure autogène », voire soudé avec un autre type de plastiques plus ou moins efficacement selon sa teneur en catalyseur et selon l'importance des groupes hydroxyle -OH dans sa composition[3].

Depuis les années 2010, on cherche si de nouveaux vitrimères peuvent être créés sur la base d'autres réactions chimiques que la transestérification[3] ; Denissen et al. ont testé la transamination d'uréthanes[11], Lu et al. en 2012, ont utilisé la métathèse d’oléfines[12],[13], Brutman et al. ont réalisé des vitrimères polyactide[14] et Yang et al. (2014) ont fait des cristaux liquides vitrimères[15]. Enfin Obadia et al. (2015), avec le Dr. Montarnal ont réussi à produire un vitrimère conducteur d'ions[16] qui ouvre à de nouveaux usages (informatique, matériaux intelligents, photovoltaïque...).

On cherche aussi à les utiliser pour produire de nouveaux composites (par exemple renforcés par des fibres de verre et/ou des fibres de carbone, ce qui peut toutefois nuire à leur recyclabilité).

Utilisation

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Les vitrimères pourraient à la fois remplacer certains plastiques et le verre, tout en utilisant des déchets recyclés pour leur fabrication. Plus résistants à la corrosion que de nombreux métaux[17],[18], ils pourraient les remplacer ou être utilisés comme couche de protection (dans des tuyaux ou réservoirs par exemple).

Recyclage, recyclabilité

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Des mélanges de plastiques - même non triés - peuvent être directement transformés en « alliage vitrimère » présentant des propriétés remarquables selon les inventeurs du procédé (qui ne précisent pas le devenir des additifs, colorants et éventuels contaminants). Cet alliage de plastiques est léger, à haute résistance mécanique, thermique et chimique, à faible cout et à moindre empreinte écologique que s'il s'agissait de plastique neuf ou recyclé par un autre moyen[19].

Ils sont obtenus dans ce cas via une réaction de métathèse (échange d’atomes entre molécules de structures apparentées, ne nécessitant pas de catalyseur, et ne pas les liens chimiques existants). Cette réaction de métathèse peut en outre s’appliquer à leurs surfaces et alors permettre des soudures entre elles, mêmes s’ils ont été produits à partir de plastiques normalement « incompatibles », ouvrant à de nouveaux usages par exemple pour l'emballage ou les pneumatiques[19].

Les proportions de plastiques du gisement et le type de travail de la matière (injection, moulage, soufflage, extrusion, thermoformage..) déterminerait les caractéristiques du final. Selon le CNRS, les vitrimères obtenus à partir de polystyrènes, acrylates ou polyéthylènes seraient plus résistants mécaniquement et à la chaleur que les produits de départ, sans compromettre les possibilités de les réparer, coller, recycler[19].

Prix et distinctions

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Ludwik Leibler a reçu le prix de l'inventeur européen de l'année 2015 pour cette invention[2].

Notes et références

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  1. ↑ Inventeur du vitrimère : https://lejournal.cnrs.fr/articles/ludwik-leibler-inventeur-europeen-de-lannee
  2. ↑ a et b « Grâce au vitrimère, Ludwik Leibler reçoit le prix de l’inventeur européen », sur Futura (consulté le ).
  3. ↑ a b c d e f g et h Erwan Chabert (2015) Matériaux composites à matrices vitrimère et polymère supramoléculaire | Thèse de doctorat de l’Université Pierre et Marie Curie Ecole doctorale ED397 Spécialité Physique et Chimie des matériaux Laboratoire Matière Molle et Chimie | Pour obtenir le grade de Docteur de l’université Pierre et Marie Curie Présentée et soutenue publiquement le 29 juillet 2015
  4. ↑ Smith, M.B. and March J., March's advanced organic chemistry: reactions, mechanisms, and structure. 2007: John Wiley & Sons.
  5. ↑ Kudryavtsev, R. and Kursanov D., Primenenie tyazhelogo izotopa kisloroda dlya izucheniya mekhanizma shchelochnoi pereeterifikatsii slozhnykh efirov. Zhurnal Obshchei Khimii, 1957. 27(6): p. 1686-1687.
  6. ↑ Koskikallio, J., Alcoholysis, acidolysis and redistribution of esters. Carboxylic Acids and Esters (1969), 1969: p. 103-136.
  7. ↑ Tomita K & Ida H (1975) Studies on formation of poly(ethylene terephthalate)- 3. Catalytic activity of metal-compounds in transesterification of dimethyl terephthalate with ethylene-glycol. Polymer. 16(3): p. 185-190
  8. ↑ Li MS, Ma C.C.M, Chen J.L, Lin M.L & Chang F.C (1996), Epoxy-polycarbonate blends catalyzed by a tertiary amine .1. Mechanism of transesterification and cyclization. Macromolecules. 29(2): p. 499-506.
  9. ↑ Seiffert S & Sprakel J (2012) Physical chemistry of supramolecular polymer networks. Chemical Society Reviews 41(2): p. 909-930.
  10. ↑ « Vitrimère », Libération,‎ (lire en ligne, consulté le ).
  11. ↑ Denissen W, Rivero G, Nicolaÿ R, Leibler L, Winne J.M & Du Prez F.E (2015), Vinylogous Urethane Vitrimers. Advanced Functional Materials.
  12. ↑ Lu Y.X & Guan Z (2012), Olefin Metathesis for Effective Polymer Healing via Dynamic Exchange of Strong Carbon–Carbon Double Bonds. Journal of the American Chemical Societ. 134(34): p. 14226-14231
  13. ↑ Lu, Y.-X., Tournilhac F., Leibler L., and Guan Z., Making Insoluble Polymer Networks Malleable via Olefin Metathesis. Journal of the American Chemical Society, 2012. 134(20): p. 8424-8427
  14. ↑ Brutman J.P, Delgado P.A, & Hillmyer M.A (2014), Polylactide Vitrimers. Acs Macro Letters. 3(7): p. 607-610.
  15. ↑ Yang, Y., Pei Z., Zhang X., Tao L., Wei Y., and Ji Y (2014), Carbon nanotube-vitrimer composite for facile and efficient photo-welding of epoxy. Chemical Science. 5(9): p. 3486-3492
  16. ↑ Obadia M.M, Mudraboyina B.P, Serghei A, Montarnal D & Drockenmuller E (2015), Reprocessing and recycling of highly cross-linked ion-conducting networks through transalkylation exchanges of CN bonds. Journal of the American Chemical Society.
  17. ↑ Hollaway L (2003), The evolution of and the way forward for advanced polymer composites in the civil infrastructure. Construction and Building Materials. 17(6): p. 365- 378
  18. ↑ Potyrala, P.B (2011), Use of Fibre Reinforced Polymers in Bridge Construction. State of the Art in Hybrid and All Composite Structures. , in Construction Engineering, Universitat Politècnica de Catalunya: Barcelone.
  19. ↑ a b et c http://www2.cnrs.fr/presse/communique/4985.htm et communiqué pdf : http://www2.cnrs.fr/sites/communique/fichier/cp_l_leibler_et_n_nicolay_version_ok_3.pdf Les plastiques ordinaires pourraient se recycler en matériaux haute performance ; G.N., le 19/04/2017 https://www.batiactu.com/edito/plastiques-ordinaires-pourraient-se-recycler-materiaux-48819.php

Voir aussi

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Liens externes

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Bibliographie

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  • Capelot M (2013), Chimie de Polycondensation, Polymères suparmoléculaires et Vitrimères, in Physique et Chimie des Matériaux, Université Pierre et Marie Curie: Paris. p. 287.
  • Capelot M, Unterlass M.M., Tournilhac F., and Leibler L (2012), Catalytic Control of the Vitrimer Glass Transition. Acs Macro Letters, 2012. 1(7): p. 789-792