Les polymères - Institut Charles Sadron

Les polymères :
une meilleure caractérisation
pour un meilleur environnement
Joseph SELB
CNRS
Institut Charles Sadron
courriel : selb@ics.u-strasbg.fr
Institut Charles Sadron (ICS)
Campus CNRS, Strasbourg-Cronenbourg
Laboratoire du CNRS, associé à l’Université de Strasbourg
Institut pluridisciplinaire
Chimie et Physique des Polymères et des Systèmes Assemblés
http://www-ics.u-strasbg.fr (site web en cours de rénovation)
Les polymères : une meilleure caractérisation pour un meilleur environnement
polymères omniprésents dans notre environnement quotidien
matériaux bien connus, utilisations "visibles"
- "matières plastiques" (polystyrène, polyéthylène, PVC, ...)
- "résines" (polyesters, polyamides, polyuréthanes)
- élastomères (caoutchouc)
- cellulose, amidon
- fibres textiles
- silicones
etc ...
mais les polymères, ce n'est pas que ça !
polymères omniprésents dans notre environnement quotidien
produits de consommation courante :
mélanges complexes contenant des
polymères en quantités ± importantes
polymère = adjuvant au rôle primordial :
contrôler / modifier / améliorer
les propriétés de la formulation
- peintures
- colles, adhésifs
- produits cosmétiques et de soins
- produits pharmaceutiques
- lessives
- papiers
- préparations alimentaires
- fluides de forage
- ciments et mortiers améliorés
- traitements des textiles, du cuir
- traitement des eaux
etc…
Polymères : très large champ d'utilisations et d'applications
polymères dans toutes les branches d'activités
(pas seulement dans l'industrie de production
ou de mise en œuvre des matières plastiques)
problèmes de caractérisation fréquemment posés dans les industries
de la chimie, pharmacie, agro-alimentaire, cosmétique, etc …
1ère spécificité : grandes masses molaires
polymère = substance constituée de macromolécules
macromolécule = molécule dont la structure résulte de la
répétition d'unités dérivées de molécules de faible masse molaire
molécules "classiques"
macromolécules
typiquement M ~100 g/mole
(généralement < 200-500)
M = 10 000, 100 000,
1 million, plusieurs millions !
2e spécificité : polymolécularité (ou polydispersité)
dans un composé "classique" pur
toutes les molécules sont
identiques
dans un polymère, il y a une multitude
de molécules de tailles différentes
(de masses molaires différentes)
masse molaire unique
masse molaire unique
masses molaires moyennes (Mn, Mw)
3e caractéristique : la polydispersité varie selon les échantillons
distribution en masses molaires variable d'un échantillon à l'autre
influence déterminante sur les propriétés
Les polymères : une meilleure caractérisation pour un meilleur environnement
détermination des paramètres moléculaires caractéristiques
composition et
structure chimiques
masses molaires
(Mn, Mw, polydispersité)
outils classiques
techniques spécifiques
• analyse élémentaire
• RMN
• spectroscopie UV
• spectroscopie IR
• Chromatographie d'Exclusion Stérique
(SEC ou GPC)
• diffusion de lumière
• viscosimétrie
• spectro de masse MALDI
• FFF
connaître la nature chimique d'un polymère
n'est absolument pas suffisant
les propriétés des macromolécules de même nature chimique
ne sont pas identiques selon la masse molaire
quel que soit le domaine d'application,
la détermination des masses molaires des polymères
est souvent (devrait être) une étape indispensable
Très large éventail de techniques d'études et de caractérisation
Service de Caractérisation
Equipes de recherches
techniques ± de routine et
techniques plus spécialisées
techniques d'intérêt général
plateforme technologique
ouverte sur l'extérieur
http://www-ics.u-strasbg.fr/equipes.php?eid=6
(site web en cours de développement)
Spectrométries UV et IRTF (+ATR)
Analyses élémentaire et fonctionnelle
RMN
Analyses thermiques (DSC, TGA)
Techniques du
SERVICE de
MALDI-TOF
CARACTÉRISATION
contact :
selb@ics.u-strasbg.fr
Viscosimétrie
Diffusion de la lumière + Réfractométrie
Chromatographie d'Exclusion Stérique
Flow Field-Flow-Fractionation (Flow-FFF)
Chromatographie d'Exclusion Stérique
(SEC = Size Exclusion Chromatography)
plus connue sous le nom de GPC = Gel Permeation Chromatography
C'est LA technique incontournable
pour caractériser les polymères
- distribution en masses molaires
- masses molaires moyennes : Mn, Mw
- indice de polydispersité Ip = Mw/Mn
encore plus performante dans sa version multidétection
couplage "on-line" avec la diffusion de lumière
(et éventuellement la viscosimétrie)
contact : Alain Rameau, rameau@ics.u-strasbg.fr
Les polymères : une meilleure caractérisation pour un meilleur environnement
traitement des eaux usées
polymères = agents floculants
remplacement des solvants organiques par l'eau
• nouvelles méthodes de synthèse en milieu aqueux
• nouveaux produits avec formulations aqueuses
caractérisation
des polymères
indispensable
(p. ex. : peintures, produits d'entretien ménager,
produits de soins et de beauté, etc)
diminution de la consommation de polymères
obtenir des propriétés équivalentes avec moins de
produit actif dans les formulations
importance croissante des polymères hydrosolubles
polymères dégradables
contrôle de la dégradabilité, suivi de la dégradation
contrôle et
optimisation des
masses molaires
et de la
polydispersité
Exemples de questions posées dont la réponse peut être
apportée grâce à une caractérisation du polymère
(détermination de la distribution en masses molaires)
• Est-ce que le polymère que je commercialise est conforme à
la directive européenne REACH ?
• Est-ce que le polymère que j'utilise est conforme aux normes
de la pharmacopée ?
• Est-ce que ce "nouveau" polymère est adapté à mes besoins ?
• Dans cet échantillon de polymère, quelle est la fraction
pondérale en masses molaires inférieures (ou supérieures) à
une certaine valeur critique définie selon mes critères ?
Exemples de questions posées dont la réponse peut être
apportée grâce à une caractérisation du polymère
(détermination de la distribution en masses molaires)
• Pourquoi le nouveau lot de polymère de mon fournisseur ne me
donne pas les mêmes résultats que les lots précédents ?
• Pourquoi les propriétés de ma formulation à base de polymères
varient selon les lots de polymères utilisés alors que les tests
(± empiriques) de contrôle de qualité sur les échantillons de
polymères ne montrent pas de différence ?
• Pourquoi les propriétés du polymère (stocké sous forme de
solution ou de suspension) évoluent au cours du temps ?
Malgré cette évolution, le polymère est-il encore utilisable
pour l'application à laquelle il est destiné ?
Niveau de difficulté du problème d'analyse posé
• Les conditions expérimentales d'analyse sont bien connues
(cas fréquent avec les polymères les plus courants)
⇒ problème posé = simple analyse de routine
• Problème plus complexe nécessitant la mise en place d'un
programme de recherche en collaboration avec le partenaire
industriel (sur plusieurs mois)
• Problème épineux de la déformulation d'un produit fini
difficulté croissante
• Le polymère à caractériser est plus "exotique"
⇒ éventuelle étude bibliographique préalable
+ tests pour définir les conditions expérimentales adéquates
autre type de relation avec l'industrie
Stages de formation continue de l'Université de Strasbourg
assurés par des membres du Service de Caractérisation de l'ICS
• Chromatographie d'Exclusion Stérique Multidétection
• Viscosimétrie et rhéologie des solutions de polymères
site web : www.seforco.fr
contacts :
Alain Rameau,
rameau@ics.u-strasbg.fr
http://www.seforco.fr/stage-440-0809.html
Joseph Selb,
selb@ics.u-strasbg.fr
http://www.seforco.fr/stage-278-0809.html
Caroline Berst,
c.berst@seforco.fr
(DEPULP)