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Article

1 - CONTEXTE

2 - POLYMÈRES SUPRAMOLÉCULAIRES COMPORTANT DES LIAISONS HYDROGÈNE

3 - POLYMÈRES SUPRAMOLÉCULAIRES COMPORTANT DES INTERACTIONS Π-Π

4 - SYSTÈMES HÔTES-INVITÉS

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SIGLES ET ABRÉVIATIONS

Article de référence | Réf : N2890 v1

Polymères supramoléculaires comportant des interactions π-π
Polymères supramoléculaires autoréparables

Auteur(s) : David PRORIOL

Date de publication : 10 janv. 2017

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RÉSUMÉ

Du fait de leur omniprésence dans l’industrie mondiale, les matériaux polymères soulèvent un grand nombre de questions au niveau sociétal, notamment autour de leur durée de vie et de leur réutilisation. Depuis le début des années 2000, des recherches sont entreprises pour augmenter cette durée de vie en créant des polymères autoréparables. Sans être exhaustif, cet article dresse un bilan des avancées sur les polymères supramoléculaires autoréparables mettant en jeu de liaisons hydrogène, des interactions ?-? ou ainsi que des systèmes hôtes-invités.

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ABSTRACT

Self-healing supramolecular polymers

Ever since their discovery, polymers have been a major industrial component. They raise a number of unavoidable issues, in particular at the societal level, concerning their lifetime and reuse. Since the early 2000s, the self-healing polymer has emerged as a concept for increasing lifetime. Without being exhaustive, this article describes the recent advances in self-healing supramolecular polymers involving hydrogen bonds, ?-? interactions and host-guest systems.

Auteur(s)

  • David PRORIOL : Département de catalyse moléculaire IFPEN, rond-point de l’échangeur de Solaize, Solaize, France

INTRODUCTION

La capacité des systèmes naturels ou artificiels, à se guérir spontanément après dommages tout en gardant leurs fonctions, est une caractéristique importante pour leur durabilité. L’autoguérison est très commune dans les systèmes biologiques. On peut citer la guérison de la peau blessée ou encore la réparation de l’ADN, comme le confirme les travaux de T. Lindahl, prix Nobel de chimie en 2015. Inspirés par cela, les systèmes autoréparables, appelés aussi autocicatrisants, ont été largement explorés depuis 15 ans. Suite à une dégradation (thermique, mécanique, chimique...), ces matériaux déclenchent spontanément, ou sous l’effet d’un stimulus externe, un processus physicochimique d’autoréparation pour restaurer leurs propriétés initiales. Ce processus permet ainsi d’augmenter leur durée de vie.

Un des premiers modèles synthétiques de ces matériaux a été proposé par White et al. en 2001 à partir de matériaux polymères composites incorporant un catalyseur et des capsules contenant un agent réparant. L’inconvénient de cette méthode repose sur le fait qu’une même région du matériau ne peut plus être réparée dès lors que la capsule d’agent actif a été consommée. Même si des améliorations ont été proposées, ces matériaux reposent sur des systèmes relativement complexes. De plus, la réparation modifie également leurs propriétés mécaniques, ce qui en limite le champ d’applications.

Aussi, un intérêt croissant est porté sur une deuxième famille de matériaux autoréparables obtenus via une réticulation réversible. Ces derniers présentent l’avantage, en théorie, de pouvoir être fracturés et réparés autant de fois que possible. Cette famille se divise en deux groupes selon que leur réticulation réversible est obtenue par liaison covalente ou par liaison non covalente. Dans cet article, nous aborderons uniquement l’autoréparation des polymères par des liaisons non covalentes appelées également liaisons supramoléculaires.

L’article développe dans une première partie le contexte de l’industrie des polymères, ainsi que le concept de l’autoréparation des polymères supramoléculaires. Les deux parties suivantes abordent l’élaboration de polymères supramoléculaires autoréparables obtenus à partir de deux liaisons non covalentes différentes : les liaisons hydrogène et les interactions π-π. Chacune de ces deux parties commence par l’étude d’un polymère de base conçu à partir d’une de ces liaisons non covalentes. Elle décrit ensuite l’évolution de sa structure afin d’améliorer ses propriétés mécaniques tout en analysant ses aptitudes à s’autoréparer. Enfin, une dernière partie aborde les systèmes hôte-invité autoréparables obtenus à partir d’éther couronne et de cyclodextrine comme molécule hôte.

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KEYWORDS

mechanical properties   |   polymers   |   supramolecular bonds   |   self-healing

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-n2890


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3. Polymères supramoléculaires comportant des interactions π-π

3.1 Premier polymère supramoléculaire autoréparable avec des interactions π-π

Colquhoun, Hayes et al ont décrit dès 2009 un des premiers systèmes supramoléculaires réparables basé sur des interactions donneurs-accepteurs de type π-π (π-stacking). Ce système comprend un polydiimide FPA-1 (tableau 1) de bas poids moléculaire contenant de nombreux sites déficients en électrons. Ce polydiimide est capable de se replier autour des sites riches en électrons des pyrènes situés en fin de chaîne du PDMS LPD-1 (tableau 2). Le polymère supramoléculaire est ainsi obtenu en présence d’un site pyrène pour deux sites diimides.

Les auteurs ont montré que le mélange [FPA-1+LPD-1] formait un polymère supramoléculaire et non deux polymères simplement entremêlés. Ce mélange présente une Tg de 106 °C, soit 9 °C de plus que le composé FPA-1. Cette augmentation révèle que le mélange des deux copolymères entraîne une réduction de la mobilité des chaînes polydiimides.

Le comportement de guérison de ce réseau de polymères a été étudié par microscopie électronique à balayage environnemental (ESEM) sur un morceau de film formé à partir de ce mélange. Une cicatrisation rapide du polymère est observée à des températures supérieures à 90 °C. À 115 °C, la blessure est à peine visible.

Il a été proposé que le processus de guérison de ce réseau supramoléculaire soit initié par dissociation partielle des interactions π-π sous l’effet de l’augmentation de la température. Les composants dissociés du mélange polymère peuvent alors circuler afin de permettre la réparation de la fracture. Lors du refroidissement, les interactions non covalentes π-π sont progressivement rétablies, de sorte que les propriétés physiques du matériau original soient régénérées.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   *  -  PlasticsEurope http://www.plasticseurope.fr/industrie- du-plastique/donnees-du-marche.aspx.

  • (2) -   *  -  Techniques de l'ingénieur https://www.techniques-ingenieur.fr/base- documentaire/materiaux-th11/plastiques- et-composites-ti100/ sous les rubriques « Propriétés générales des plastiques » et « Applications des plastiques ».

  • (3) - LEHN (J.-M.) -   La chimie supramoléculaire : concepts et perspectives.  -  De Boeck Université (1997).

  • (4) - LEHN (J.-M.) -   *  -  Angew. Chem. Int. Ed., 26, p. 1304-1319 (1990).

  • (5) - FRIESE (V.A.), KURTH (D.G.) -   Current opinion in colloid and interface science.  -  14, p. 81-93 (2009).

  • (6) - CORDIER (P.), TOURNILHAC (F.), SOULIE- ZIAKOVIC (C.), LEIBLER (L.) -   *  -  Nature,...

1 Principaux acteurs

Acteur français :

Matière Molle et Chimie, ESPCI ParisTech – CNRS, UMR-7167, PSL Research University, 10 rue Vauquelin, 75005 Paris, France

Autres acteurs dans le monde :

Institute for Complex Molecular Systems and Laboratory of Macromolecular and Organic Chemistry, Eindhoven University of Technology, P.O. Box 513, 5600 MB Eindhoven, The Netherlands

State Key Laboratory of Chemical Engineering, Department of Chemistry, Zhejiang University, 310027 Hangzhou, P. R. China

Department of Macromolecular Science, Graduate School of Science, Osaka University, Toyonaka, Osaka 560-0043, Japan

Department of Chemistry, University of California, 1102 Natural Sciences II, Irvine, California 92697-2025, United States

Department of Macromolecular Science and Engineering, Case Western Reserve University, 2100 Adelbert Road, Cleveland, Ohio 44106-7202, United States

Department of Chemistry, University of Reading, Whiteknights, Reading RG6 6AD, U.K

Institute of Chemistry, Division of Technical and Macromolecular Chemistry, Faculty of Natural Science II (Chemistry, Physics and Mathematics), Martin-Luther-University Halle-Wittenberg, Von-Danckelmann-Platz 4, Halle D-06120, Germany

Istanbul Technical University, Department of Chemistry, 34469 Istanbul, Turkey

Adolphe Merkle Institute, University of Fribourg, Chemin des Verdiers 4, CH-1700 Fribourg, Switzerland

Department of Materials Science and Engineering, Center for Optical Materials Science and Engineering Technologies (COMSET), Clemson University, Clemson, SC 29634, United State

Department of Chemistry and Biotechnology, School of Engineering, The University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8656, Japan

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