A ce jour, le développement de nouvelles stratégies industrielles tournées vers des procédés plus écoresponsables est essentiel pour améliorer l’empreinte environnementale de notre société. Dans ce contexte, mon projet de doctorat a pour objectif de développer, de synthétiser et de caractériser des nouveaux matériaux biosourcés et recyclables dans le but de remplacer certains matériaux classiques issus de l’industrie du pétrole et utilisés dans de nombreuses applications industrielles. Pour cela, une nouvelle famille de polymères, appelés Vitrimères, a attiré notre attention. Les Vitrimères sont des polymères à réseaux dynamiques qui se distinguent des catégories de polymères classiques tels que les thermoplastiques ou les thermodurcissables. Le caractère dynamique unique de ces nouveaux matériaux est lié à la présence de points de réticulation réversibles qui induisent une mobilité des chaines macromoléculaires dans des conditions précises d’utilisation. Ce réseau dont la topologie peut se réarranger grâce à des réactions d’échange via une activation thermique, a la capacité de maintenir son intégrité. Ainsi, le nombre de liaisons reste constant au cours du réarrangement et cela permet de combiner une stabilité structurelle avec une flexibilité adaptative, ouvrant de nouvelles perspectives. Notamment, ce comportement dynamique dépendant du temps et de la température permet de remettre en forme et de recycler ces matériaux en fin de vie, favorisant ainsi une revalorisation des matériaux endommagés. Très représentés dans la littérature, les matériaux vitrimères basés sur les échanges disulfures ont montré bien des avantages par leurs propriétés mécaniques intéressantes. L'objectif principal de mes travaux est donc d'incorporer des propriétés recyclables à des résines époxydes biosourcées par l'introduction de liaisons dynamiques disulfures. Dans un premier temps, la préparation de ces matériaux innovants s'est basée sur le design et sur l'optimisation de systèmes vitrimères de type époxy/amine disulfures. Dans un second temps, ces nouveaux réseaux dynamiques ont été caractérisés par des analyses thermomécaniques et comparés à des réseaux traditionnels pétro-sourcés rapportés dans la littérature. Enfin, une étude cinétique complémentaire basée sur des composés modèles a permis de mettre en évidence l'effet catalytique des amines sur les réactions d'échanges disulfures mises en jeu dans nos réseaux époxydes/amines. Outre l'influence notable de l'environnement chimique (aromatique/aliphatique, nucléophile), des relations structure/propriétés ont également pu être démontrées au travers de ces recherches permettant d'élargir le socle de connaissances sur le contrôle des propriétés dynamiques au sein de ces vitrimères disulfures. Enfin, tirant profit des résultats obtenus, une nouvelle méthode de recyclage chimique en boucle fermée a été évaluée dans l'optique d'inscrire les vitrimères synthétisés dans une économie circulaire, concept largement valorisé pour améliorer les processus industriels actuels. |
Today, the development of new industrial strategies geared towards more eco-responsible processes is essential to improving our society's environmental footprint. In this context, the aim of my PhD project is to develop, synthesize and characterize new biobased and recyclable materials with a view to replacing certain conventional materials derived from the petroleum industry and used in numerous industrial applications. To this end, a new family of polymers, known as Vitrimers, has attracted our attention. Vitrimers are dynamically polymer networks that differ from conventional polymer classes such as thermoplastics and thermosets. The unique dynamic character of these new materials is linked to the presence of reversible cross-linking points that induce mobility of macromolecular chains under precise conditions of use. This network, whose topology can be rearranged by exchange reactions via thermal activation, has the ability to maintain its network integrity. In this way, the number of bonds remains constant during rearrangement, making it possible to combine structural stability with adaptive flexibility, opening up new perspectives. In particular, this time- and temperature-dependent dynamic behavior enables these materials to be reshaped and recycled at the end of their life cycle, thus promoting the reuse of damaged materials. Vitrimers based on disulfide exchange are well represented in the literature, and their interesting mechanical properties have proved highly advantageous. The main objective of my work is therefore to incorporate recyclable properties into biosourced epoxy resins by introducing dynamic disulfide bonds. Initially, the preparation of these innovative materials was based on the design and optimization of epoxy/amine disulfide vitrimer systems. Secondly, these new dynamic networks were characterized by thermomechanical analysis and compared to traditional petro-sourced networks reported in the literature. Also, a complementary kinetic study based on model compounds highlighted the catalytic effect of amines on the disulfide exchange reactions involved in our epoxy/amine networks. Besides the significant influence of the chemical environment (aromatic/aliphatic, nucleophilic), structure/property relationships have also been demonstrated through this research, extending the knowledge based on the control of dynamic properties within these disulfide vitrimers. Finally, taking advantage of the results obtained, a new closed-loop chemical recycling method was evaluated with a view to placing synthesized vitrimers in a circular economy, a concept widely used to improve current industrial processes. |