Les élastomères siloxanes sont des thermodurcissables, réticulés chimiquement, qui ne peuvent être ni remis en forme, ni transférés sur un support autre que celui d'origine, ni recyclés. Afin d'apporter une réponse à ces limitations, nous avons cherché à développer des élastomères siloxanes vitrimères, les vitrimères étant des matériaux capables d'être remis en forme, réparés et soudés grâce à des réactions d'échange associatives catalysées se produisant dans le réseau et activées par élévation de la température. Dans la première approche, nous avons étudié la trans-siloxanation, réaction d'échange intrinsèque aux siloxanes vivants, catalysée par les anions silanolates SiO- présents dans le réseau. Cependant, le caractère vivant induit un équilibre entre le réseau et des cycles, ces derniers très volatils peuvent s'évaporer lors du chauffage, ce qui favorise alors la dépolymérisation du réseau par trans-siloxanation intramoléculaire. Il en résulte que ces élastomères vivants ne sont pas vitrimères, leur connectivité étant continument modifiée. Néanmoins, nous avons montré que l'ajout de carbonate de césium accélère la réaction d'échange et permet la soudure de deux joints d'élastomères dont au moins un est vivant. Dans la seconde approche, le caractère vitrimère repose sur des liens dynamiques imines au sein d'un réseau siloxane non vivant. L'avantage de ce lien étant d'être non seulement échangeable mais aussi dissociable dans certaines conditions douces, ces élastomères siloxanes ont pu être remis en forme et recyclés. Enfin, l'introduction de charges de silice a permis d'améliorer leurs propriétés mécaniques sans toutefois altérer leurs propriétés vitrimères. / The polysiloxane elastomers are thermosets, chemically cross-linked, that can neither be reshaped, transferred on a support different from their original one nor recyclable. In order to overcome these limitations, siloxane elastomer vitrimers have been developed, the vitrimers being materials able to be reshaped, repaired and welded thanks to catalyzed and thermo-activated associative exchange reactions occurring within the network. In a first approach, we studied the trans-siloxanation, the intrinsic exchange reaction of living siloxanes, catalyzed by the silanolate anion SiO-. Nevertheless, this living nature leads to equilibrium between the network and cycles, that can evaporate upon heating and cause the depolymerisation of the network by intramolecular trans-siloxanation. The living elastomers are thus not vitrimer since their connectivity is continuously modified. However, we have shown that the addition of caesium carbonate accelerates the exchange reaction and allows the welding of two joints with at least one living. In the second approach, the vitrimer behaviour relies on imine dynamic bonds introduced into a non living network (no silanolate anion). As this bond is exchangeable but also dissociable under soft conditions, imine siloxane elastomers can not only be reshaped and but also recycled. Finally, the introduction of silica charges improves the mechanical properties without altering the vitrimer properties.

Au cours de cette thèse, à l'aide de réactions chimiques simples et industrialisables, nous avons tenté d'élaborer par polycondensation des matériaux polymères possédant des combinaisons de propriétés inhabituelles. Dans un premier temps, nous décrivons des réseaux chimiques qui sont insolubles mais pourtant malléables, soudables sans apport de matière et recyclables à haute température. Pour obtenir ces matériaux originaux, des réactions de transestérification, capables de réorganiser la topologie du réseau sans modification du nombre de liens chimiques, ont été induites dans des résines époxy grâce à des catalyseurs adaptés. Le choix des monomères permet de moduler très facilement la structure du réseau, et donc ses propriétés mécaniques ou la température de transition vitreuse. La nature et la quantité de catalyseur permettent un contrôle des réactions d'échanges, et jouent ainsi sur la malléabilité. Nous nommons ces réseaux " vitrimères " puisque, contrairement à la quasi-totalité des composés vitreux, ces matériaux se ramollissent très progressivement avec la température, de manière similaire à un matériau jusque-là unique : la silice. Dans un second temps, en utilisant des motifs cristallisables inspirés de la chimie supramoléculaire, nous avons obtenu des oligoamides organisés en nanophases. Ces matériaux présentent des propriétés mécaniques approchant celles de thermoplastiques usuels, mais avec une viscosité en fondu remarquablement faible. Cette particularité permet d'envisager de nouvelles applications pour les thermoplastiques, qui sont en général des polymères de grande masse, et donc de viscosité élevée.

Dans l'optique de préparer des vitrimères à partir des thermoplastiques communément utilisés, tels le PMMA et le PS, des réactions d'échange dynamiques reposant les liens imine et esters boroniques ont été étudiées. Des paramètres importants comme la constante de dissociation de certaines molécules, la constante de vitesse et l'énergie d'activation ont été mesurées. Des monomères porteurs de liaisons échangeables ont été synthétisés et polymérisés. Des vitrimères, avec des liaisons C-C dans la chaine principale, ont été créés par différentes stratégies (PMMA et PS). Ces matériaux sont réticulés et insolubles avec un plateau caoutchouteux mais également façonnables et recyclables par moulage par compression ou par injection. Ces vitrimères peuvent relaxer les contraintes et couler à une température supérieure à celle de leur transition vitreuse. Des viscosités de 105-107 Pa.s ont été estimées pour les vitrimères PMMA reposant sur la chimie des esters boroniques. Des tests de traction montrent que leurs propriétés mécaniques de ces matériaux ne subissent pas de baisse significative après plusieurs cycles de recyclage par moulage par injection. Même après plusieurs cycles de moulage, les vitrimères basés sur la chimie des esters boroniques peuvent être complètement dé-réticulés, signe de leur stabilité à haute température lors du moulage. Ces vitrimères ont une résistance supérieure dans les conditions "d'environmental stress cracking" comme des réseaux polymères conventionnels. / With the aim to generate vitrimers from commonly used thermoplastics with carbon-carbon based backbones, such as PMMA and PS, dynamic covalent exchange reactions relying on Schiff’s bases and boronic esters were investigated. Two different approaches, i.e. crosslinking in solution or in extrusion, were used. These materials are processable via extrusion, compression and injection molding like their thermoplastic counterparts. The crosslinked nature of these systems was confirmed by solubility tests and DMA. Rheological measurements revealed the vitrimers ability to flow and viscosities between 105-107 Pa.s for boronic ester based PMMA vitrimers were measured. Consecutive tensile testing/reprocessing sequences proved the full recyclability of these vitrimers, and selective cleavage of the vitrimer networks followed by precise chemical analyses showed the thermal and chemical stabilities of vitrimers relying on boronic ester bonds. The stress cracking resistance of these vitrimers was significantly higher than that of parent thermoplastics, as can be expected for crosslinked systems.

Nous décrivons l’utilisation de matrices polymères aux propriétés inhabituelles dans des composites à fibres de verre longues et dans des composites tout organique. Les vitrimères récemment découverts au laboratoire Matière Molle et Chimie une nouvelle classe de polymères. Ils sont réticulés et insoluble comme les thermodurs mais pourtant malléables à chaud, soudables sans apport de matière et recyclables comme les thermoplastiques. Cette propriété de soudage est elle conservée pour un matériau composite à matrice vitrimère renforcé à 50vol.% ? Nous analysons quantitativement et statistiquement les forces de rupture de joints soudés à chaud de façon autogène et comparons à cet effet le composite à matrice vitrimère aux composites classiques. Nous démontrons que seule la matrice vitrimère permet de multiples soudures efficaces grâce aux réactions d’échange qui permettent la formation de liens covalents et la diminution de la rugosité à l’interface. Cette technologie pourrait permettre le remplacement des joints mécaniques ou des adhésifs. Nous explorons aussi un système composite constitué d’un tissu de fibres longues et d’une matrice basée sur des thermoplastiques semi-cristallins à base de polyamides supramoléculaires développés au laboratoire Matière Molle et Chimie. Leur très faible viscosité au dessus du point de fusion est un grand atout vers des méthodes de mise en œuvre et de recyclage améliorées. Nous montrons qu’il est possible de recouvrer les fibres intactes et lavées ainsi que la matrice grâce à un traitement thermique sous pression dans l’eau. Enfin, nous réalisons un bilame vitrimère qui peut être utilisé comme actuateur. / We describe the use of two polymer matrixes with unusual properties for long glass fibres reinforced composite materials and fully organic composites. Vitrimers, recently discovered in the Soft Matter and Chemistry laboratory constitute a new class of polymers as they can exhibit high mechanical strength and are insoluble even at high temperatures like thermosets and yet, like thermoplastics, they are heat processable, recyclable and weldable. The question arises whether this welding property is maintained in composite materials made of more than 50vol% of reinforcing fibres. We quantitatively and statistically analyze the bond strength of lapshear vitrimer composite joints autogenously welded by heat and compare the results to comparable joints of standard thermoset epoxy. It is demonstrated that only vitrimer samples show substantial bond strength and the ability to be repeatedly welded thanks to the exchange reactions that promote both bonding between the adherands and the decrease of surface roughness at the joint interface. This opens the way towards joining composite parts without adhesives or mechanical fasteners. We also explore a composite system made of woven glass fibres and of a matrix base on supramolecular semi-crystalline polyamides that have been developed in the SMC laboratory. Their very low melt viscosity is an asset to envision improved manufacturing and recycling methods. As a proof of concept, composite material pieces have been subjected to a high temperature water treatment. We show the complete recovery of both the neat woven glass fibers plies and the matrix. Finally, we show that actuators can be made from bilaminar vitrimers.

Améliorer le recyclage des caoutchoucs est un enjeu majeur de la société actuelle. Ces matériaux sont classiquement réticulés de manière permanente par chimie covalente, ce qui empêche toute modification ultérieure de la structure du réseau. Au cours de cette thèse, nous avons cherché à concevoir le recyclage en amont, en utilisant des méthodes de réticulation non-permanentes. Le caoutchouc naturel époxydé (ENR), choisi comme élastomère de base de l'étude, est efficacement réticulé par l'action de diacides carboxyliques qui réagissent sur les fonctions oxiranes pour former des ponts esters. D'une part, l'ajout d'un catalyseur de transestérification au sein du matériau a permis d'envisager l'obtention de propriétés vitrimères. Les avantages de cette chimie covalente échangeable sont mis en évidence par comparaison avec les réseaux permanents faiblement réticulés qui montrent eux aussi des propriétés de relaxation et d'adhésion. D'autre part, l'utilisation d'un diacide comportant dans sa chaîne une fonction disulfure dynamique apporte un certain degré de recyclabilité, comparable à ce qui peut être obtenu par vulcanisation conventionnelle au soufre. La chimie décrite ici présente cependant l'avantage majeur de ne pas être toxique pour l'environnement, contrairement à la vulcanisation. Enfin, le greffage d'acides gras à chaîne cristallisable sur l'ENR conduit à l'obtention d'élastomères thermoplastiques. L'étude par diffraction des rayons-X sous traction cyclique montre que ces réseaux physiques cristallisent sous contrainte aussi bien que l'ENR réticulé chimiquement aux diacides. / Improving rubber recyclability is a major challenge of today’s society. These materials are usually crosslinked through permanent covalent chemistry, which prevents any further modification of the network structure. The aim of this thesis was to design the recyclability up-stream by using non-permanent chemistry for rubber crosslinking. Epoxidized natural rubber (ENR), chosen as the base rubber, is efficiently crosslinked by reaction of dicarboxylic acids on oxirane rings to form ester bonds. On the one hand, the addition of a transesterification catalyst let foresee the obtaining of vitrimer properties. The advantages of this exchangeable chemistry are shown by comparison to lightly permanently crosslinked rubbers that also show stress relaxation and adhesion properties. On the other hand, using a functionalized diacid with a central disulphide function, a certain degree of reprocessability could be obtained, comparable to what was obtained by conventional sulphur vulcanization. A major advantage of the presented diacid chemistry over vulcanization is the non-toxicity towards the environment. Lastly, by grafting long crystallizable fatty acids onto ENR, we synthesized thermoplastic elastomers. Like diacid-crosslinked ENR (chemical network), these physical networks show strain-induced crystallization measured by X-ray diffraction during cyclic tensile tests.

Cette thèse s'intéresse au développement de procédés monotopes (en une seule étape) permettant la synthèse accélérée de polymères conducteurs ioniques.Une étude bibliographique sur les poly(liquides ioniques) à base 1,2,3-triazolium (TPILs) a démontré leurs richesses structurale et fonctionnelle inégalées. Leur synthèse requière cependant plusieurs étapes nécessitant l'emploi de catalyseurs, de solvants et d'agents de polymérisation.Une première partie est consacrée au développement d'une voie de synthèse accélérée permettant d'accéder en une seule étape, sans solvant, ni catalyseur à des TPILs de structures variées. Il est en effet aisément possible de moduler les structures chimiques de l'espaceur, du contre-anion et du substituant en position N-3 du groupe 1,2,3-triazolium à partir d'un large choix de monomères a-azoture-?-alcyne et d'agents alkylants.Une seconde partie est consacrée à l'extension de cette voie de synthèse originale à l'élaboration d'une série de réseaux conducteurs ioniques, démontrant ainsi la souplesse du procédé et l'immense possibilité de variation structurale. Ces réseaux possèdent les propriétés uniques des matériaux vitrimères sur la base d'échanges dynamiques des points de réticulation par des réactions de transalkylation des liaisons C-N sous contrainte et température. Ils peuvent ainsi être remis en forme et recyclés sans pertes majeures de leurs propriétés et constituent donc le premier exemple de vitrimère fonctionnel. L'ensemble de ces matériaux de par leurs propriétés ainsi que leur rapidité et leur facilité de synthèse constituent donc une avancée majeure dans le domaine des polymères conducteurs ioniques et leurs applications / This PhD thesis tackles the development of monotopic (or single step) processes enabling the accelerated synthesis of ion conducting polymer materials. A bibliographic study on 1,2,3-triazolium-based poly(ionic liquid)s (TPILs) have demonstrated their unequaled structural and functional richness. However, their syntheses require several synthetic steps and the use of catalysts, solvents and polymerization mediators.A first part is devoted to the development of an accelerated synthetic approach enabling in a single step to access TPILs with broad structural variety without solvent nor catalyst. Indeed the chemical structure of the spacer, the counter-anion and the N-3 substituent of the 1,2,3-triazolium group can be readily tuned from a broad library of a-azide-?-alkyne monomers and alkylating agents.A second part is devoted to the extension of this original synthetic approach to the formation of a series of ion conducting polymer networks, thus demonstrating the flexibility of the process and the broad capacity in structural design. These networks possess the unique properties of vitrimer materials based on dynamic exchanges of the cross-linking points by transalkylation reactions of C-N bonds under strain and temperature. They can thus be reshaped and recycled without significant loss of their properties, which constitute the first example of functional vitrimer.The properties of these materials, as well as the rapidity, the versatility and the flexibility of their syntheses constitute a major breakthrough in the field of ion conducting polymer materials and their applications