Les polymLes polymèères :res :une meilleure caractune meilleure caractéérisationrisation

pour un meilleur environnementpour un meilleur environnement

Joseph SELBJoseph SELB

CNRSCNRSInstitut Charles SadronInstitut Charles Sadron

courriel : selb@ics.u-strasbg.fr

Laboratoire du CNRS, associé à l’Université de StrasbourgInstitut pluridisciplinaire

Chimie et Physique des Polymères et des Systèmes Assemblés

Institut Charles Sadron (ICS)

Campus CNRS, Strasbourg-Cronenbourg

http://www-ics.u-strasbg.fr (site web en cours de rénovation)

Les Les polympolymèèresres : une meilleure : une meilleure caractcaractéérisationrisation pour un meilleur pour un meilleur environnementenvironnement

- "matières plastiques" (polystyrène, polyéthylène, PVC, ...)

- "résines" (polyesters, polyamides, polyuréthanes)

- élastomères (caoutchouc)

- cellulose, amidon

- fibres textiles

- silicones

etc ...

matériaux bien connus, utilisations "visibles"

mais les polymères, ce n'est pas que ça !

polymères omniprésents dans notre environnement quotidien

- 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 eauxetc…

produits de consommation courante :mélanges complexes contenant des

polymères en quantités ± importantes

polymères omniprésents dans notre environnement quotidien

polymère = adjuvant au rôle primordial :contrôler / modifier / améliorerles propriétés de la formulation

problèmes de caractérisation fréquemment posés dans les industries

de la chimie, pharmacie, agro-alimentaire, cosmétique, etc …

Polymères : très large champ d'utilisations et d'applications

polymères dans toutes les branches d'activités(pas seulement dans l'industrie de productionou de mise en œuvre des matières plastiques)

1ère spécificité : grandes masses molaires

polymère = substance constituée de macromoléculesmacromolécule = molécule dont la structure résulte de la

répétition d'unités dérivées de molécules de faible masse molaire

macromoléculesM = 10 000, 100 000,

1 million, plusieurs millions !

molécules "classiques"typiquement M ~100 g/mole

(généralement < 200-500)

masse molaire uniquemasses molaires moyennes (Mn, Mw)

dans un composé "classique" purtoutes les molécules sont

identiques

dans un polymère, il y a une multitude de molécules de tailles différentes(de masses molaires différentes)

2e spécificité : polymolécularité (ou polydispersité)

masse molaire unique

distribution en masses molaires variable d'un échantillon à l'autre

influence déterminante sur les propriétés

3e caractéristique : la polydispersité varie selon les échantillons

Les Les polympolymèèresres : une meilleure : une meilleure caractcaractéérisationrisation pour un meilleur pour un meilleur environnementenvironnement

• analyse élémentaire

• RMN

• spectroscopie UV

• spectroscopie IR

• Chromatographie d'Exclusion Stérique(SEC ou GPC)

• diffusion de lumière

• viscosimétrie

• spectro de masse MALDI

• FFF

outils classiques techniques spécifiques

détermination des paramètres moléculaires caractéristiques

composition etstructure chimiques

masses molaires(Mn, Mw, polydispersité)

connaître la nature chimique d'un polymèren'est absolument pas suffisant

quel que soit le domaine d'application,la détermination des masses molaires des polymèresest souvent (devrait être) une étape indispensable

les propriétés des macromolécules de même nature chimiquene sont pas identiques selon la masse molaire

Très large éventail de techniques d'études et de caractérisation

Equipes de recherchesService de Caractérisation

techniques ± de routine ettechniques d'intérêt général

plateforme technologiqueouverte sur l'extérieur

techniques plus spécialisées

http://www-ics.u-strasbg.fr/equipes.php?eid=6(site web en cours de développement)

Techniques duSERVICE de

CARACTÉRISATION

Spectrométries UV et IRTF (+ATR)

Chromatographie d'Exclusion Stérique

Analyses élémentaire et fonctionnelle

MALDI-TOF

Viscosimétrie

RMN

Analyses thermiques (DSC, TGA)

Flow Field-Flow-Fractionation (Flow-FFF)

Diffusion de la lumière + Réfractométrie

contact :selb@ics.u-strasbg.fr

Chromatographie d'Exclusion Stérique(SEC = Size Exclusion Chromatography)

plus connue sous le nom de GPC = Gel Permeation Chromatography

C'est LA technique incontournablepour caractériser les polymères

encore plus performante dans sa version multidétectioncouplage "on-line" avec la diffusion de lumière

(et éventuellement la viscosimétrie)

- distribution en masses molaires- masses molaires moyennes : Mn, Mw- indice de polydispersité Ip = Mw/Mn

contact : Alain Rameau, rameau@ics.u-strasbg.fr

Les Les polympolymèèresres : une meilleure : une meilleure caractcaractéérisationrisation pour un meilleur pour un meilleur environnementenvironnement

diminution de la consommation de polymères

obtenir des propriétés équivalentes avec moins de produit actif dans les formulations

remplacement des solvants organiques par l'eau

• nouvelles méthodes de synthèse en milieu aqueux

• nouveaux produits avec formulations aqueuses(p. ex. : peintures, produits d'entretien ménager,

produits de soins et de beauté, etc)

polymères dégradablescontrôle de la dégradabilité, suivi de la dégradation

traitement des eaux uséespolymères = agents floculants

caractérisationdes polymères indispensable

contrôle et optimisation des masses molaires

et de la polydispersitéimportance croissante des polymères hydrosolubles

• Est-ce que le polymère que je commercialise est conforme àla 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 ?

Exemples de questions posées dont la réponse peut êtreapportée grâce à une caractérisation du polymère

(détermination de la distribution en masses molaires)

• Dans cet échantillon de polymère, quelle est la fraction pondérale en masses molaires inférieures (ou supérieures) àune certaine valeur critique définie selon mes critères ?

• 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 ?

Exemples de questions posées dont la réponse peut êtreapportée grâce à une caractérisation du polymère

(détermination de la distribution en masses molaires)

• 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)

• Le polymère à caractériser est plus "exotique"⇒⇒⇒⇒ éventuelle étude bibliographique préalable+ tests pour définir les conditions expérimentales adéquates

• Problème épineux de la déformulation d'un produit fini

Niveau de difficulté du problème d'analyse posédifficulté

croissante

Stages de formation continue de l'Université de Strasbourgassurés par des membres du Service de Caractérisation de l'ICS

• Chromatographie d'Exclusion Stérique Multidétection

• Viscosimétrie et rhéologie des solutions de polymères

autre type de relation avec l'industrie

contacts : Alain Rameau, rameau@ics.u-strasbg.frhttp://www.seforco.fr/stage-440-0809.html

Joseph Selb, selb@ics.u-strasbg.frhttp://www.seforco.fr/stage-278-0809.html

Caroline Berst, c.berst@seforco.fr(DEPULP)

site web : www.seforco.fr