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La chimie réinvente les polymères

Michel Le Toullec

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- Les chercheurs développent des matériaux dont la structure est de mieux en mieux contrôlée et élaborent des formulations à propriétés d'usage spécifiques.

Fabricants de peintures, de cosmétiques, de produits d'hygiène ou d'adhésifs, savez-vous que la chimie vous concocte des polymères qui pourront vous démarquer de vos concurrents ? En effet, les recherches sur ces structures macromoléculaires foisonnent aussi bien chez les industriels que dans les laboratoires des principales écoles d'ingénieurs en chimie. Deux objectifs sont visés : optimiser des performances de polymères existants et élaborer de matériaux aux propriétés spécifiques.

L'une des tendances majeures est le développement de polymères dont la structure interne est parfaitement maîtrisée. On parle alors de polymères à architecture contrôlée. Arkema illustre cette tendance avec sa technologie BlocBuilder, lancée début 2006. Le principe repose sur l'utilisation d'une molécule originale à base de nitroxyde qui assure l'amorçage de la réaction polymérisation radicalaire et le contrôle de la structure du polymère. Cette méthode s'applique à plusieurs monomères (styréniques, acryliques...) et est compatible avec les réacteurs de polymérisation existants. Et elle permet de développer des polymères pour les marchés comme la peinture, les adhésifs, les produits d'hygiène corporelle, l'électronique...

Contrôler l'architecture à l'échelle nanométrique

À l'École de chimie de Montpellier (Hérault), des travaux sont aussi dédiés aux polymères à architecture contrôlée. Jeff Tonnar exploite le procédé de polymérisation radicalaire RITP (Reverse iodine transfer polymerization) afin de contrôler au mieux les masses moléculaires. « Nous étudions la RITP en émulsion afin de développer un procédé propre, sans solvant organique, de synthèse de latex copolymères blocs. »

Autre thème original : l'Insa de Rouen (Seine-Maritime) étudie des polymères à gradient de structure. Ces matériaux sont synthétisés à partir de monomères acryliques ou méthacryliques sous forme de liquide photopolymérisable sous UV. Pour obtenir ce gradient, les chercheurs tirent parti de la diminution de l'intensité des UV dans l'épaisseur du mélange. Une réaction de polyaddition thermique fige alors le gradient par la formation d'un réseau polyuréthanne. Il en résulte des propriétés mécaniques différentes dans l'épaisseur du matériau.

Encore plus fort. Certains visent à contrôler l'architecture des polymères à l'échelle nanométrique. Dans ce domaine, Arkema a innové récemment avec ses copolymères blocs NanoStrength destinés à améliorer les propriétés mécaniques de polymères comme les époxydes, les polyamides, le PVC, le PMMA... « En raison de leur taille, ces nanodomaines améliorent la tenue aux chocs du polymère dans lequel ils sont incorporés, mais sans en diminuer le module élastique », explique Christian Collette, directeur de la R&D chez Arkema. De son côté, Rhodia s'intéresse particulièrement à la nanostructuration de polyamides. Ces travaux seront au programme de la future unité mixte Rhodia/CNRS, dont la création est prévue d'ici à fin 2006. Arkema et Rhodia sont, par ailleurs, partenaires du programme Man (Matériaux avancés nanostructurés) au sein du pôle de compétitivité à vocation mondiale "Aéronautique, espace et systèmes embarqués".

Obtenir des propriétés d'usage spécifiques

Des chercheurs de l'Ensic - École nationale supérieure des industries chimiques, à Nancy (Meurthe-et-Moselle) - s'intéressent également à la nanostructuration du polyamide. Ils proposent un procédé d'élaboration par extrusion réactive d'un polyamide 12 au sein duquel est dispersé à échelle nanométrique un élastomère (le polydiméthylsiloxane). Résultat : le PA 12 ainsi modifié présente des propriétés mécaniques fortement améliorées, surtout aux chocs à basse température. Du côté de l'École de chimie de Montpellier, des polymères nanostructurés sont conçus pour le marché des cosmétiques. « Nous travaillons sur des hydrogels associant deux blocs hydrophobes et un bloc hydrophile et sur des organogels constitués d'un bloc lipophile et de deux blocs lipophobes », précise Emmanuel Pouget, chercheur sur ce sujet.

L'autre tendance phare de la recherche en chimie des polymères est l'obtention de propriétés d'usage spécifiques. Par exemple, une équipe de l'École de chimie de Lille (Nord) développe des peintures intumescentes à base époxyde. Ces revêtements protecteurs en cas d'incendie se destinent aux secteurs du bâtiment, de la marine ou de l'armée. Les chercheurs étudient la viscosité de la peinture lors du développement de l'intumescence. Le polymère dégradé ne doit être ni trop liquide ni trop visqueux pour piéger les produits volatils de décomposition.

À l'ESPCI (École supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris), des recherches portent sur des formulations thermodurcissables résistant aux chocs pour des applications ophtalmiques. Le principe est basé sur l'emploi d'un composé antiplastifiant apportant au matériau des propriétés amortissantes. Du côté de l'École de chimie, polymères et matériaux de Strasbourg (EPCM-Bas-Rhin), des gels "gonflants" sont développés pour le relargage de principes actifs ou la production de lentilles oculaires. Il s'agit de gels à points de réticulation glissants à base de polyrotaxanes, constitués de molécules cycliques enfilées le long d'une chaîne polymère. Ces gels se caractérisent par leur propension au gonflement, idéale pour les applications visées.

On peut aussi signaler les recherches menées à l'École de chimie de Clermont-Ferrand (Puy-de-Dôme) sur des polymères à applications sous forme de photorésist. Une équipe étudie la photoréactivité de copolymères à base de benzile (composé 1,2-dicarbonylé).

Exploiter les propriétés du dextrane

Enfin, d'autres travaux visent à exploiter les caractéristiques de polymères biologiques comme le dextrane, un polysaccharide neutre et hydrophile d'origine bactérienne. À l'École de chimie de Mulhouse (Haut-Rhin), des copolymères amphiphiles dextrane-g-polylactide sont développés pour la vectorisation particulaire, à visée thérapeutique ou diagnostique. Les chercheurs exploitent alors le pouvoir tensioactif de ces copolymères et leur caractère biocompatible et biodégradable. À partir d'un procédé d'émulsion/évaporation du solvant, les chercheurs produisent des nanosphères compatibles avec l'application visée. Tandis qu'à l'Ensic, des chercheurs étudient des dérivés amphiphiles du dextrane comme tensioactif pour la stabilisation d'émulsion "huile dans eau". Ces dérivés sont préparés en fixant des groupements hydrophobes sur la chaîne du dextrane. Leurs propriétés stabilisantes conviendraient aux produits pour l'hygiène, le cosmétique ou la vectorisation de principes actifs.

LES GRANDES TENDANCES

- Les polymères nanostructurés concernent aussi bien l'aéronautique que les cosmétiques. - Les polymères à gradient de structure ont des propriétés mécaniques différentes dans leur épaisseur. - Des gels "gonflants" se prêtent au relargage de principes actifs. - Le dextrane convient à la vectorisation particulaire et à la stabilisation d'émulsions.

DES FILS DE POLYMÈRES CONDUCTEURS ISOLÉS

À l'École de chimie, polymères et matériaux de Strasbourg (Bas-Rhin), une équipe développe des fils électriques moléculaires. Ces travaux ont abouti à la synthèse de fils macromoléculaires organiques conducteurs isolés. Un véritable câble électrique gainé... mais à échelle de quelques dizaines de nanomètres de diamètre ! La partie conductrice est un polymère conducteur intrinsèque du type polythiophène (schéma) ou polyparaphénylène. L'isolation électrique est, quant à elle, assurée par une gaine de molécules organiques : des cyclodextrines, oligomères cycliques du glucose, dont la forme rappelle celle d'un abat-jour. Les chercheurs alsaciens étudient maintenant les mécanismes de conduction à l'échelle moléculaire.

DU LATEX MAGNÉTIQUE POUR LE BIODIAGNOSTIC

L'Institut textile et chimique de Lyon (Rhône) s'intéresse à la synthèse de particules de latex magnétiques pour le marché du diagnostic biomédical. Disposant d'une surface spécifique importante, ces structures conviennent en particulier aux immuno-essais. Leur charge en oxyde de fer autorise une séparation rapide sous l'action d'un champ magnétique et permet d'isoler sélectivement la molécule cible. Les procédés actuels de fabrication donnent des particules peu chargées en matériel magnétique. Les chercheurs lyonnais proposent une synthèse basée sur la transformation par polymérisation d'émulsions magnétiques "huile dans eau". Son intérêt est de produire des particules submicroniques présentant justement une forte teneur en oxyde de fer.

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