Une nouvelle approche de polymérisation pourrait transformer la fabrication de plastiques spéciaux

Des chercheurs du département de chimie de l’université Carnegie Mellon ont amélioré une technologie populaire utilisée pour générer une gamme de plastiques industriels pour des applications allant des peintures et revêtements aux adhésifs et produits d’étanchéité.

En utilisant des conditions de réaction respectueuses de l’environnement, notamment en effectuant la réaction dans l’eau avec de la lumière et un colorant hydrosoluble, la nouvelle méthode offre une approche prometteuse pour créer des polymères de manière plus écologique et plus pratique pendant le processus de polymérisation en émulsion.

Dans un contexte commercial, la polymérisation en émulsion est l’un des moyens les moins coûteux de fabriquer une gamme de polymères utiles. Le procédé est toutefois limité, car les scientifiques ne peuvent pas contrôler précisément le poids moléculaire et la dispersité des polymères obtenus. Et le contrôle de la structure du polymère est essentiel pour fabriquer des polymères spéciaux aux caractéristiques très spécifiques.

Dans une recherche publiée dans le Journal de la Société américaine de chimieXiaolei Hu, doctorante en chimie, a développé une nouvelle méthode, la polymérisation radicalaire par transfert d’atomes en mini-émulsion sous l’action de la lumière (ATRP), qui permet de contrôler avec précision la structure du polymère obtenu. Cette nouvelle méthode élargit le champ des polymères pouvant être créés par polymérisation en émulsion.

« Il s’agit du premier exemple de photoATRP en mini-émulsion robuste et efficace sous une lumière de grande longueur d’onde, en particulier les lumières rouges et proches infrarouges », a déclaré Krzysztof Matyjaszewski, professeur de sciences naturelles à l’Université JC Warner.

« Une exploration et une application plus poussées de cette technique dans des environnements industriels pourraient conduire à la production durable et économique de polymères bien définis/spéciaux. »

L’ATRP, la méthode de polymérisation contrôlée la plus robuste, permet aux scientifiques d’assembler des monomères pièce par pièce. En contrôlant précisément la croissance et la forme des polymères, les scientifiques peuvent créer des polymères hautement personnalisés dotés de propriétés spécifiques.

Cependant, la mise en œuvre d’une réaction ATRP réussie dans une émulsion présente de nombreux défis, dont beaucoup ont été surmontés grâce aux travaux du groupe Matyjaszewski. Hu, un étudiant en troisième année de doctorat dirigé par Matyjaszewski, exploite l’ATRP photo-induite sous une lumière à longueur d’onde plus longue afin de pouvoir l’utiliser plus efficacement dans une émulsion.

En règle générale, les polymérisations en émulsion sont déclenchées par l’ajout d’un réactif chimique, explique Hu, mais son objectif est différent. Il souhaite développer une réaction ATRP plus écologique, qui peut se dérouler dans des conditions de réaction respectueuses de l’environnement, comme dans l’eau, à l’air libre et qui peut être initiée par une source lumineuse.

« De nos jours, la photochimie, qui consiste essentiellement à utiliser une lumière à faible énergie pour initier et faciliter la polymérisation, suscite une grande attention en raison de sa mise en œuvre facile et de sa nature écologique », a déclaré M. Hu.

D’autres chercheurs ont utilisé la lumière pour initier une polymérisation en émulsion. Ils ont utilisé la lumière ultraviolette ou la lumière visible à courte longueur d’onde, qui se disperse lorsqu’elle pénètre dans une émulsion, qui est essentiellement un mélange de liquides qui ne se dissolvent pas les uns dans les autres, comme l’huile dans l’eau. Comme la lumière se disperse, elle n’est pas uniformément disponible dans toute l’émulsion pour déclencher la polymérisation, ce qui entraîne des réactions lentes avec un contrôle limité sur les propriétés finales du polymère. Cela était particulièrement vrai pour les réactions à grande échelle.

Pour contourner ce problème, Hu s’est tourné vers des longueurs d’onde de lumière plus longues dans les régions rouge et proche infrarouge du spectre. Il a utilisé un colorant courant, le bleu de méthylène, comme photocatalyseur. Les photocatalyseurs sont des matériaux qui s’activent lorsqu’ils sont exposés à la lumière, provoquant ainsi la réaction chimique. Le bleu de méthylène est un colorant soluble dans l’eau disponible dans le commerce qui est utilisé dans de nombreuses applications, notamment comme médicament.

Dans un article antérieur publié dans JACHu a découvert que ce colorant possède des propriétés photochimiques très intéressantes qui sont applicables à l’ATRP. Il a démontré que le bleu de méthylène se comportait exceptionnellement bien dans une solution homogène à l’air libre, conduisant à une polymérisation rapide et bien contrôlée.

« Nous avons été vraiment motivés par ce résultat, nous avons donc travaillé au développement d’un système photoATRP pour les émulsions utilisant le bleu de méthylène comme photocatalyseur sous lumière rouge/proche infrarouge », a déclaré Hu.

Dans le cadre de ses travaux actuels, Hu a découvert que la lumière rouge/proche infrarouge conduisait à une polymérisation améliorée dans une mini-émulsion, tandis que la lumière UV n’entraînait quasiment aucune polymérisation. Les scientifiques ont également montré que le bleu de méthylène, lorsqu’il est exposé à la lumière rouge/proche infrarouge, induit l’initiation rapide du processus ATRP et permet de contrôler la polymérisation.

Le plus important, selon Hu, est la découverte selon laquelle les longueurs d’onde lumineuses plus longues utilisées dans la nouvelle approche ont permis de maintenir une polymérisation efficace même dans des réacteurs de plus grande taille. « Cette découverte est cruciale pour l’application pratique de la polymérisation en émulsion photo-induite dans un contexte commercial », a déclaré Hu.