L’ingénierie chimique réinvente les mousses isolantes

Les mousses en polyuréthane (PU), omniprésentes dans le bâtiment pour l’isolation thermique, les matelas ou l’ameublement, servent aussi le domaine de l’automobile ou encore d’emballage protecteur. Leur fabrication repose sur deux ingrédients principaux : un polyol (riche en fonctions alcool -OH) et un polyisocyanate (porteur de groupes -N=C=O). Ces deux réactifs réagissent entre eux pour former des liaisons uréthane qui bâtissent un réseau polymère tridimensionnel : c’est l’ossature solide de la mousse. Mais les isocyanates jouent également un second rôle important. En présence d’eau, ils produisent du dioxyde de carbone (CO₂). Ce gaz, formé au cœur du matériau en cours de formation, s’ajoute généralement à un agent gonflant évaporé par la chaleur de la réaction exothermique. Ensemble, les deux gaz font gonfler la mousse pendant que le polymère se solidifie. Les isocyanates sont donc à la fois architectes du réseau polymère solide et générateurs d’une partie du gaz d’expansion. Toutefois, ces substances chimiques très réactives présentent une toxicité cutanée et respiratoire avant d’avoir réagi. Ils font d’ailleurs l’objet de restrictions croissantes. D’où la recherche active de chimies alternatives capables d’assurer à la fois la réticulation du polymère et la formation d’une mousse à la porosité contrôlée qui soit compatible avec les technologies déjà bien établies de ces mousses.

Dans ce contexte, des scientifiques de l’Institut Charles Sadron (CNRS), en relation avec la société SOPREMA, ont récemment exploré une voie qui abandonne totalement les isocyanates au profit d’une chimie qui porte la promesse d’être plus durable dans l’avenir : la réaction d’aza-Michael. Elle met en jeu une amine multifonctionnelle, comme la diéthylènetriamine, et un acrylate multifonctionnel, comme le triacrylate de triméthylolpropane, qui réagissent entre eux sous des conditions douces, sans solvant ou catalyseur, avec une efficacité atomique de 100%. L’amine attaque la double liaison activée de l’acrylate, formant une liaison carbone–azote. En multipliant ces réactions, on obtient à partir d’un mélange de deux liquides un réseau polymère réticulé, rigide, comparable dans sa fonction structurale à celui d’un polyuréthane, mais sans liaison uréthane et sans isocyanate.

Contrairement aux PU, cette réaction ne produit par contre pas de CO₂. Pour faire mousser le matériau, la formulation repose donc entièrement sur un agent gonflant physique, le cyclopentane. Tout l’enjeu devient alors de synchroniser deux phénomènes sans l’utilisation de catalyseur : la production de chaleur (qui fait gonfler) et la solidification du polymère (qui fige la structure). Si la réaction est trop rapide et trop exothermique, la mousse peut devenir instable et s’effondrer sur elle-même (les bulles ne sont pas figées et coalescent). Si elle est trop lente, la température ne suffit pas à vaporiser l’agent gonflant et le matériau ne « mousse » pas.

L’astuce trouvée par l’équipe est de réaliser cette mousse en deux temps. Ils réalisent d’abord une pré-réaction en présence d’un excès d’amine. Cette étape produit des espèces intermédiaires qui leur permettent de contrôler la viscosité du mélange, la vitesse de réaction et surtout la chaleur dégagée, sans modifier la composition finale du réseau polymère formé.

En jouant sur cet excès initial d’amine, l’équipe a ainsi pu obtenir une mousse rigide majoritairement à cellules ouvertes capable de récupérer jusqu’à 95 % de sa hauteur après une compression à 80 %. Si les performances thermiques restent inférieures à celles des meilleures mousses commerciales, une optimisation du procédé, notamment vers des structures plus fermées et un meilleur contrôle des agents gonflants et tensioactifs, pourrait combler cet écart. Cette étude montre cependant qu’en jouant sur la cinétique de réaction, il est possible de contrôler finement la formation d’une mousse polymère rigide sans recourir aux isocyanates. Cette piste prometteuse pour concevoir, à terme, des matériaux isolants plus sûrs et plus durables est parue dans le Chemical Engineering Journal.

Rédacteur : AVR