Section 11 Systèmes et matériaux supra et macromoléculaires : élaboration, propriétés, fonctions

III. Matériaux polymères

Par son approche pluridisciplinaire qui s'appuie sur le triptyque « Chimie, physico-chimie et procédé », la science des matériaux concerne en France une large communauté scientifique qui va bien au-delà de la section 11. Les recherches sur les matériaux étant, le plus souvent, à vocation applicative, elles sont donc menées en forte interaction avec les milieux socio-économiques. Cette réalité se traduit par l'implication des laboratoires dans des contrats avec des entreprises de manière bilatérale, par la création d'unités mixtes de recherche CNRS/entreprises ou encore par l'association de laboratoires avec un partenaire industriel.

A. Chimie et physico-chimie des matériaux polymères

Depuis les années 2000, la science des matériaux polymères s'appuie sur une approche multiéchelle pour atteindre de multiples fonctionnalités. Cette démarche vise à transposer ou révéler à l'échelle macroscopique – celle du matériau – les propriétés particulières des états très divisés de la matière. Les systèmes colloïdaux, même s'ils sont rarement perçus comme un matériau, sont les premiers systèmes basés sur un état divisé et fonctionnalisé de la matière. Plus proche de la notion de matériau, le renforcement des élastomères pour pneumatiques repose depuis longtemps sur l'utilisation de particules nanométriques de carbone ou de silice. La véritable avancée et le défi qui accompagnent l'émergence de ces matériaux (nano)structurés se situent dans la maîtrise de tous les éléments : brique de base, formulation, procédé d'élaboration. La maîtrise de la structuration tridimensionnelle à différentes échelles joue un rôle essentiel dans le contrôle des propriétés de ces nanomatériaux. La nano- ou mésostructuration a atteint un niveau de maîtrise remarquable dans les polymères et ceci, en vue de créer une anisotropie ou d'obtenir des propriétés particulières (résistance au choc, perméabilité contrôlée, etc.). En parallèle des efforts portant sur l'architecture des macromolécules elles-mêmes (polymères en étoile, dendrimères), ce sont l'exploitation des phénomènes de séparation de phases dans les mélanges peu ou pas miscibles, ainsi que les phénomènes d'auto-organisation dans les copolymères di-ou triblocs qui offrent le plus de possibilités. Ces approches sont exploitées pour générer des polymères poreux de morphologie contrôlée isotrope ou anisotrope, avec une porosité ouverte ou fermée. Ces stratégies incluent l'élimination de petites molécules impliquées dans des architectures supramoléculaires, la dégradation sélective de l'un des blocs de copolymères auto-organisés, la destruction sélective d'un polymère thermoplastique mélangé de manière homogène dans une matrice thermostable, ou encore l'utilisation de réseaux (semi)-interpénétrés de polymères à dégradabilité contrôlée comme précurseurs nanostructurés.

L'introduction de charges préformées constitue toujours un objet d'étude pour renforcer mécaniquement les matrices polymères. L'intérêt d'introduire des nano-objets plutôt que des micro-objets dans une matrice polymère est triple. Il s'agit, soit de tirer profit du confinement qu'impose la taille limitée de chaque unité structurale, soit d'exacerber les influences multiples que les interfaces, internes ou externes, peuvent exercer sur les propriétés, soit encore de favoriser les interactions qu'autorise le mélange additif/matrice à une échelle aussi intime. Les nanocomposites sont toujours au cœur des préoccupations de notre section même si le couplage du nano-objet (nanotube de carbone, silicates lamellaires, graphène ou whiskers de cellulose) avec des renforts fibreux est davantage recherché pour favoriser la structuration multi-échelle. Les approches multiphysiques pour les colloïdes concentrés et les polymères nanochargés sont aujourd'hui deux domaines très étudiés. Les procédés de polycondensation inorganique qui relèvent traditionnellement de la section 15 sont de plus en plus utilisés par les chercheurs de la section 11. La chimie douce mise en jeu dans les procédés sol-gel est compatible avec les réactions de polymérisation et représente une voie privilégiée pour la conception de matériaux hybrides alliant les propriétés des matériaux inorganiques et des polymères. Plus récemment, les liquides ioniques sont apparus comme étant de nouveaux agents structurants des polymères et comme additifs fonctionnels permettant l'accès à des matériaux nouveaux dont le potentiel reste encore à explorer.

B. Les procédés d'élaboration et de mise en œuvre des matériaux

La relation entre la structure macromoléculaire et la propriété visée est au cœur de la démarche de mise en œuvre. Développer un nouveau matériau en prenant en compte en particulier des critères liés aux procédés impose de s'intéresser au développement de formulations adaptées en considérant les comportements physiques des polymères, tels que les propriétés rhéologiques, et thermiques, les phénomènes de diffusion mais aussi la physico-chimie des polymères. Les problématiques posées ne peuvent être abordées que par une démarche pluridisciplinaire associant chimie, mécanique des fluides et génie des procédés pour comprendre les couplages entre l'évolution spatio-temporelle des réactifs et polymères, l'évolution de la rhéologie, les transferts de chaleur et de matière pour les procédés continus et discontinus. Donc, tout en étant des questions clés pour le transfert de technologie, ces problématiques sont aussi des enjeux scientifiques fondamentaux loin d'être encore maîtrisés. L'éventail des procédés de mise en forme est très large et multi-échelle depuis l'élaboration des couches minces et revêtements jusqu'aux pièces structurales d'usage. Dans l'ingénierie des surfaces, les méthodes d'auto-assemblages (« bottom up ») combinées aux méthodes lithographiques (« top-down ») sont toujours bien utilisées pour conférer des propriétés contrôlées de mouillage, d'adhésion, de friction ou d'optique. La technique de dépôt couche par couche de polyélectrolytes (LBL) par trempage ou pulvérisation est également toujours très attractive par sa simplicité de mise en œuvre pour la préparation de films multifonctionnels et stimulables. L'élaboration de matériaux à l'état fondu représente encore une activité significative dans les laboratoires dédiés aux matériaux de la section. Si les mélanges de polymères font toujours l'objet d'étude, ces travaux sont aujourd'hui davantage tournés vers des polymères biosourcés mis en œuvre dans des conditions de procédés d'élaboration plus respectueuses de l'environnement. Cela nécessite d'adapter les méthodes existantes ou de développer de nouveaux procédés et méthodes d'analyses permettant de répondre à ces enjeux économiques et sociétaux (nouveaux catalyseurs, procédés continus, analyses en ligne permettant de s'affranchir des étapes de prélèvement, procédés sans composé organique volatil, polymérisation UV, etc.). Un autre point concerne le développement de méthodes d'analyse couplées in situ donnant accès dans les conditions du procédé à des informations relatives à différentes échelles. La chimie à l'état fondu continue à se développer à travers l'extrusion réactive ou l'utilisation de la chimie minérale pour l'élaboration de matériaux hybrides organiques-inorganiques. Le génie des procédés devra être davantage pris en compte en développant des dispositifs innovants permettant une amélioration significative de la qualité de production liée à une diminution de la consommation d'énergie, une diminution de la production de déchets avec un haut degré de fiabilité et de sécurité. Si les procédés comme le prototypage rapide ou l'impression 3D sont spectaculaires en termes de démonstrateurs et de facilité de mise en œuvre, ils ne sont pas encore pleinement intégrés dans les laboratoires de recherche et seront vraisemblablement amenés à se développer. De même, les procédés haut débit qui reposent sur l'utilisation de microsystèmes et de dispositifs microfluidiques ne sont pas encore fortement développés au sein de notre communauté. Il est également remarquable que, si les travaux sur les composites connaissent actuellement un regain d'intérêt, les procédés d'élaboration associés par RTM ou enroulement filamentaire sont peu présents alors qu'un réel besoin se fait sentir en associant une chimie adaptée (en termes de réactivité) au procédé d'élaboration. L'optimisation des procédés d'élaboration passe aussi par une simulation du procédé qui relève du domaine de compétences de quelques laboratoires spécialisés.

C. Comportements physiques des matériaux polymères : couplage chimie/physico-chimie/procédé

L'étude des comportements physiques des matériaux polymères en relation avec leur architecture macromoléculaire, leur morphologie à l'état fondu ou solide gouvernée par le procédé d'élaboration et de mise en forme est toujours très présente dans la communauté française des polymères. Plusieurs laboratoires regroupent un ensemble unique et original de compétences dans le domaine de la rhéologie et la morphologie des polymères, de la simulation et des procédés. Leurs activités et leurs connaissances s'étendent à la fois (i) à des aspects conceptuels du niveau moléculaire au niveau macroscopique (descripteurs des structures et des morphologies, écriture de scénari d'établissement des morphologies et lois de comportement), (ii) aux problématiques expérimentales (outils et méthodes rhéologiques pour les fluides complexes, expériences discriminantes, problèmes inverses et modélisation des procédés incluant les procédés de mise en œuvre réactive). Concernant les propriétés mécaniques, les laboratoires français ne tiennent plus la même place que celle acquise lors du développement d'approches physiques issues de la mécanique des métaux et peu de travaux prennent en compte le développement d'outils de modélisation moléculaire et mécanique. Alors que les activités sur les matériaux hybrides sont toujours très présentes, les approches de modélisation multi-échelles sont encore peu développées. Si les travaux sur les nanomatériaux perdurent dans les laboratoires, une activité de recherche sur les composites à fibre émerge à nouveau afin de répondre aux défis sociétaux concernant les matériaux à faible consommation d'énergie dans le domaine des transports. De la même manière, la mise en œuvre de matériaux composites à base ou intégrant des produits bio-sourcés a continué son développement. S'inscrivant dans une démarche liée aux critères environnementaux, la gestion durable de ces matériaux est aussi prise en compte depuis leur élaboration jusqu'à leur utilisation. Toutes applications confondues, les formulations tiennent compte de la durabilité et du recyclage des composites pour apporter une alternative à une valorisation énergétique sur le plan écologique et économique. Les principaux efforts de recherche se concentrent sur la conception de nouvelles interfaces adaptatives, auto-réparantes et les propriétés d'adhésion des assemblages avec le renouveau des approches micromécaniques et l'étude de la durabilité des interfaces. Cela nécessite bien entendu le développement de méthodologies expérimentales mais aussi de modélisation. Le transport des petites molécules caractérise un autre domaine de propriétés des matériaux bien représenté dans notre communauté. Outre l'architecture des chaînes macromoléculaires, c'est l'association à un niveau d'échelle parfaitement maîtrisé de matériaux à propriétés spécifiques qui est exploitée pour ouvrir la voie à une large gamme de propriétés et mécanismes de transport. De nombreux domaines allant de l'emballage à l'électronique et à l'énergie font appel de façon directe ou indirecte à la fonction « barrière ». Il est ainsi essentiel de comprendre et maîtriser les mécanismes qui gouvernent cette propriété afin de repousser les limites des matériaux. Les mécanismes de diffusion à l'origine des propriétés barrière ont particulièrement été étudiés sur les nanocomposites à charges lamellaires. Les composites polymères conducteurs (CPC) constituent toujours un thème de recherche d'actualité avec le développement croissant des nano-objets conducteurs. Le comportement électrique de ces milieux aléatoires présentant des propriétés modulables de coupure sous l'effet de stimuli externes (vapeur, température) passe par l'étude et la maîtrise des phénomènes de percolation, c'est-à-dire le contrôle de la dispersion des nanoparticules

L'analyse des travaux menés au sein de la section 11 dans le domaine des matériaux ne se veut pas exhaustive mais pointe l'intérêt manifeste de la communauté à élaborer des matériaux (multi)fonctionnels en générant une structuration multi-échelle. La conception de tels matériaux fonctionnels requiert une approche multidisciplinaire qui s'appuie sur les fondamentaux de sous-disciplines comme la mécanique ou la rhéologie des polymères que la communauté doit continuer à pérenniser.