Une nouvelle classe de plastiques
15/05/14

Le rêve de tout chimiste n'est-il pas d'agir en démiurge et de créer au doigt et à l'œil des molécules bien déterminées aux fonctions encore plus définies? C'est un peu dans cette voie que se sont lancés Christophe Detrembleur et son équipe du Centre d'Etude et de Recherche sur les Macromolécules (CERM) de l'Université de Liège. Leur objectif? Créer des polymères aux fonctionnalités réellement innovantes. Un pas vient d'être franchi dans ce sens: ils ont mis au point une méthode permettant de contrôler la réactivité de polyoléfines en croissance et donc de préparer de nouveaux copolymères aux propriétés inédites. En outre, cela fonctionne dans des conditions relativement douces: à 40°C et à 10-50 bar. A l'inverse du processus industriel  conventionnel qui n'est pas contrôlé et qui se fait généralement à hautes températures (plusieurs centaines de degrés) et hautes pressions (1000 bar ou plus). Le champ des applications qui en découlent concerne le biomédical, l'énergie et l'environnement. 

PE, EVA, PVC (1) ... Autant d'initiales mystérieuses qui ont pourtant envahi notre vie quotidienne: des emballages aux films alimentaires, en passant par les canalisations, les colles, les adhésifs..., les applications touchent tous les domaines qu'ils soient alimentaires, médicaux, automobiles, agricoles, énergétiques... Les techniques de polymérisation industrielle permettant de produire ces plastiques ont réellement connu leur essor dans la seconde moitié du XXe siècle, au point qu'aujourd'hui, l'homme est en contact continu avec l'un ou l'autre produit issu d'une polymérisation.

polyéthylène"Le polyéthylène (PE), explique Christophe Detrembleur, directeur de recherche FNRS au Centre d'Etude et de Recherche sur les Macromolécules (CERM) de l'Université de Liège, dont la dernière étude vient d'être publiée dans Nature Chemistry(2) (et qui fait l’objet de la couverture du volume de mars 2014), est un des polymères (plastiques de la famille des polyoléfines) les plus produits industriellement. Son inertie chimique, sa transparence et ses excellentes propriétés mécaniques en font un plastique exceptionnel. Cependant, il est très apolaire, ce qui complique le travail quand on veut le mélanger à d'autres polymères plus polaires que lui. Or, en les mélangeant, on recherche une synergie de propriétés, on combine les propriétés des deux polymères en un seul matériau". Par exemple, allier un matériau dur avec un mou pour faire un élastomère, une espèce de caoutchouc qui va permettre d'absorber les chocs. Cependant, dans la plupart des cas, un mélange intime entre les deux produits est la condition essentielle pour l’obtention de cette synergie, ce qui est souvent difficile avec le polyéthylène. Ceci peut notamment être obtenu par l’adjonction de copolymères d’éthylène et de monomères vinyliques polaires (qui sont composés d'enchaînements d'unités d'éthylène et d'unités de monomères polaires).

Hormis cette application, ces copolymères fonctionnels se retrouvent dans de très nombreux produits de notre vie quotidienne. Un exemple important est l'EVA (éthylène-acétate de vinyle) que l'on retrouve dans les films plastiques et alimentaires, dans les smartphones, les films pour les serres, beaucoup d'adhésifs et de colles,... 

Contrôler la croissance

"Ces copolymères à base d'éthylène sont produits principalement par la technique de polymérisation radicalaire conventionnelle qui produit des matériaux super intéressants mais il s'agit d'un processus un peu anarchique", poursuit-il. En effet, les copolymères d'éthylène sont actuellement obtenus industriellement dans des conditions qui ne permettent pas un contrôle fin de l’enchaînement des unités monomères et donc des propriétés du matériau final.

Il faut savoir qu'un processus de polymérisation se déroule en trois étapes: amorçage, propagation et terminaison. La première phase, l'amorçage, consiste à générer une espèce active, un radical (d’où le nom de la technique), qui va amorcer la croissance des chaînes, donc l'addition des monomères (dans le cas de l'EVA, l'éthylène et l'acétate de vinyle) les uns aux autres, et permettre à la chaîne polymère, à la macromolécule, de croître, c'est l'étape de propagation. La dernière étape, appelée terminaison, fixe les chaînes dans leur configuration finale.

"Tout ceci se fait de manière anarchique et aléatoire tout au long de la polymérisation de telle sorte quen fin de réaction, vous avez des chaînes qui ont des tailles différentes, qui peuvent aussi avoir des compositions différentes, et donc des propriétés différentes les unes des autres. Ici au laboratoire, on essaie de trouver un moyen de contrôler la croissance de ces chaînes".

(1) PE: polyéthylène, plastique construit par l'enchaînement d'unités éthylène
EVA: éthylène-acétate de vinyle
PVC: polychlorure de vinyle
(2) Nature Chemistry 2014,6:179-187, publication avancée en ligne le 26 janvier 2014, www.nature.com/nchem/journal/v6/n3/pdf/nchem.1850.pdf

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