Une polymérisation en émulsion amorcée grâce à la lumière visible

La polymérisation en émulsion est une méthode très employée dans le monde académique comme dans l'industrie : elle permet en effet d'obtenir des latex, suspensions dans l'eau de polymères de hautes masses molaires, de manière efficace (taux de solide élevés), peu coûteuse et verte (sans solvant). Jusqu'à présent, ces polymérisations étaient amorcées par voie thermique ou par réaction d’oxydoréduction. Les équipes 1   du laboratoire Chimie, Catalyse, Polymères et Procédés (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1/CPE Lyon), du laboratoire Hydrazines et Composés Énergétiques Polyazotés (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1/CNES/ArianeGroup), et de l’Institut des Matériaux de Mulhouse (CNRS/Université Haute Alsace) ont mis au point un amorçage par voie photochimique qui permet un contrôle externe de la polymérisation, du point de vue spatial (seule la zone irradiée réagit) comme temporel (l'avancement ne procède que quand le milieu est éclairé).

Pour cela, il a fallu franchir deux obstacles. Tout d’abord, la plupart des systèmes d'amorçage de photopolymérisation sont lipophiles et ne sont donc pas adaptés à la polymérisation en émulsion qui requiert un amorçage dans la phase aqueuse. De plus, les gouttelettes initiales de monomère puis les nanoparticules de polymères formées ont une taille qui leur fait diffuser la lumière ultra-violette : on ne peut donc utiliser cette dernière efficacement pour un amorçage. Ainsi, les partenaires ont élaboré un système amorceur hydrophile à base de bore fonctionnant dans le visible, ce qui permet une pénétration contrôlée de la lumière dans le milieu.

Le système a été testé sur le styrène, conduisant à la production de latex de polystyrène, qui peuvent par exemple trouver des applications en tant que particules support en diagnostic biomédical. Ce styrène a été photopolymérisé en émulsion avec des conversions totales et sans déstabilisation : les particules de polymères en suspension dans l'eau ne s’agrègent pas. La méthode permet ainsi d'accéder à des latex stables, avec des tailles de nanoparticules allant de 50 à 300 nm de diamètre (selon la quantité de tensioactif employée) et des taux de solides pouvant atteindre 30 %.

Le dispositif, qui fonctionne à plus basse température que la voie thermique, repose sur des LED disponibles en grandes surfaces, un équipement très simple, peu onéreux et sûr pour les opérateurs. Le contrôle spatial de type on/off qu'offre la méthode permet d'envisager son transfert dans des dispositifs en flux continu. Enfin, l’utilisation de lumière visible permet quant à elle d'envisager d'effectuer la polymérisation en présence de pigments ou de matériaux sensibles à la lumière ultra-violette ou dégradés par la chaleur. Ce nouveau procédé présente donc de nombreux avantages.

Référence

Frédéric Le Quéméner, Daniel Subervie, Fabrice Morlet-Savary, Jacques Lalevée, Muriel Lansalot, Elodie Bourgeat-Lami, Emmanuel Lacôte
Visible-light Emulsion Photopolymerization of Styrene
Angewandte Chemie International Edition – Décembre 2017
DOI: 10.1002/anie.201710488

• 1avec le soutien de l'ANR et de la société PnP (Photons & Polymers, Lutterbach)