IMP - GFP

Plateformes d’équipements
du laboratoire Ingénierie
des Matériaux Polymères (IMP)
Caractérisation des polymères par chromatographie liquide
C aractérisation des polymères par spectroscopie
de résonance magnetique nucléaire en solution
Caractérisation des polymères par rhéologie
Procédes de mise en œuvre et mise en forme
Revêtements et films minces : élaboration et caractérisation
Caractérisation des polymères par analyse thermique
Propriétés spécifiques des polymères et mécanismes associés
Procédés de synthèse et de modification chimique des polymères
Caractérisation des polymères
par chromatographie liquide
CONTACTS
• IMP Site INSA Lyon
UMR CNRS 5223
17 av. Jean Capelle
69621 Villeurbanne cedex
PLATEFORME DE L’INSTITUT DE CHIMIE DE LYON LOCALISÉE
DANS LES LABORATOIRES IMP ET C2P2
Marion COLELLA
[email protected]
• IMP Site Univ. J. Monnet
Descriptif de la plateforme :
Cette plateforme de l’ICL réunit l’expertise des ingénieurs et chercheurs de l’IMP ainsi que du C2P2. Ensemble,
les 2 laboratoires sont équipés des dernières techniques de chromatographie liquide et en particulier des
techniques de chromatographie d’exclusion stérique (SEC). Elles permettent la séparation des macromolécules
selon leur taille et leur structure.
UMR CNRS 5223
23, rue Paul Michelon
42023 Saint-Étienne
Caroline PILLON
[email protected]
• IMP Site Université Lyon 1
Les techniques de la plateforme sont multi-détection :
UMR CNRS 5223
15 Bd Latarjet
69 622 Villeurbanne
• refractomètre différentiel
• UV
• diffusion de la lumière
• viscosimètre
Agnès CREPET
[email protected]
• Laboratoire C2P2
(Chimie, Catalyse,
Polymères et Procédés),
UMR CNRS 5265
Bât. F308
43 Bd du 11 Nov. 1918
69616 Villeurbanne
Ces techniques donnent accès aux informations suivantes :
• distributions de masses molaires, Mn, Mw, Mz, Ð
• calibrations conventionnelles
• calibrations universelles
• masses absolues
• distributions de composition chimique
• ramifications
• taille des macromolécules en solution, Rg, Rh
Olivier BOYRON
[email protected]
SEC
THF
TREF
CRYSTAF
SEC
Toluène
CEF/TGIC
Caractérisation
des polymères
par chromatographie
liquide
SEC
Chloroforme
SEC
TCB
SEC
DMF
SEC
Aqueux
SEC
DMSO
Caractérisation des polymères
par spectroscopie de résonance
magnétique nucléaire en solution
Descriptif de la plateforme :
Cette plateforme fonctionne avec deux spectromètres RMN 400 MHz équipés de sondes et d’accessoires
spécifiques pour l’analyse des polymères en solution : RMN 1D/2D, haute température, HR-MAS, diffusion.
Analyse de
solutions visqueuses
à haute température
Mesures de
diffusion par RMN
(logiciel DOSYm)
Analyse de
polymères gonflés
ou sous forme de gels
par HRMAS
Spectroscopie de
Résonance Magnétique
Nucléaire (RMN)
en solution
Observation des
motifs Q de polysiloxanes
avec une sonde sélective
29Si
Détection de signaux
de faible intensité par
RMN 13C et 29Si
(sondes 10 mm)
Séquences
d’impulsion spécifiques
à l’analyse des
polymères
Spectromètre Bruker Avance III 400 MHz
• Passeur automatique BACS 60 échantillons
• Deux sondes (2 canaux) :
BBFO+ 5 mm :
Gamme de fréquence : 31P à 15N + 19F / 1H
Gamme de température : +25°C à +150°C
Autres caractéristiques : ATMA et gradients Z
Typiquement utilisée pour : analyser les noyaux
suivants 1H, 19F, 31P, 13C … de façon entièrement
automatisée et réaliser des cartes de corrélation 2D
en mode inverse.
HR-MAS 1H/13C 4 mm avec unité MAS :
Gamme de fréquence : 13C / 1H
Gamme de température : +25°C à +50°C
Autres caractéristiques : gradients Z
Typiquement utilisée pour : analyser des échantillons dont les propriétés se situent entre celles des
liquides et des solides : polymères sous forme de
gels, polymères supportés, réticulés.
Spectromètre Bruker Avance II 400 MHz
• Passeur automatique Sample Jet 24 échantillons
• Quatre sondes (2 canaux) :
SEX 13C 10 mm haute température :
Gamme de fréquence : 13C / 1H
Gamme de température : +25°C à 140°C
Autres caractéristiques : ATMA et gradients Z
Typiquement utilisée pour : analyser à haute température des polymères solubles mais très visqueux,
par exemple les polyéthylènes et réaliser des cartes
de corrélation 2D.
SEX 29Si 10 mm :
Gamme de fréquence : 29Si / 1H
Gamme de température : +25°C à +100°C
Autres caractéristiques : ATMA, gradients Z et pas de
signal silicium résiduel du à la sonde
Typiquement utilisée pour : analyser des polysiloxanes
notamment ceux qui possèdent des motifs Q, suivre
la cinétique d’hydrolyse condensation d’alcoxysilanes.
BBO 10 mm :
Gamme de fréquence : 31P à 15N / 1H
Gamme de température : -40°C à +100°C
Typiquement utilisée pour : analyser les noyaux 31P,
13C et 29Si des polymères.
BBI 5 mm :
Gamme de fréquence : 1H / 31P à 15N
Gamme de température : +25°C à +70°C
Autres caractéristiques : gradients Z
Typiquement utilisée pour : réaliser des cartes de
corrélation 2D en mode inverse.
CONTACTS
• IMP Site INSA Lyon
UMR CNRS 5223
17 av. Jean Capelle
69621 Villeurbanne cedex
Fernande DA CRUZ-BOISSON
[email protected]
Cécile CHAMIGNON
[email protected]
Patrick GOETINCK
[email protected]
Caractérisation des polymères
par rhéologie
• IMP Site INSA Lyon
UMR CNRS 5223
17 av. Jean Capelle
69621 Villeurbanne cedex
Guilhem QUINTARD
[email protected]
Descriptif de la plateforme :
Cette plateforme, répartie sur plusieurs sites de l’IMP, est équipée d’un ensemble complet de techniques de
rhéometrie permettant de mesurer les propriétés rhéologiques linéaires et non-linéaires (élongation, haut
gradient de vitesse) des matériaux polymères de l’état fondu à l’état solide, des liquides de faible viscosité.
Elle offre aussi la possibilité de mesurer l’évolution de plusieurs propriétés physiques sous écoulement (diélectrique, optique, biréfringence).
Relations structure/propriétés dans les polymères à l’état fondu
• Mesures en viscoélasticité linéaire (modules
complexes G’, G’’,distribution des masses, spectres
de relaxation)
- Rhéomètres à déformation imposée (ARES, ARES G2) géométries plan-plan, cône-plan, couette, films, torsion
• Fluage (fluides à seuil, viscoélasticité aux temps
longs...)
- Rhéomètres à contrainte imposée (DHR2, AR2000,
MCR301)
Comportement rhéologique pour la mise en forme
• Courbes d’écoulement pour l’injection ou
l’extrusion (mesures à haut gradient de vitesse...)
- Rhéomètres capillaires, MFI (RH2000, RH7, rheoflex,
INSTRON)
• Comportement rhéologique pour le filage,
thermoformage, l’extrusion-gonflage
- Rhéomètres élongationnels : outils SER, EVF montés
sur rhéomètres dynamiques + un RME type Meissner
Mesures propriétés physiques sous écoulement
• Propriétés diélectriques sous écoulement
sur rhéomètres dynamiques
• Orientation moléculaire locale, cristallisation...
- Biréfrengence mesurée sur rhéomètre élongationnel
•M
esures tension interfaciale, dispersion de
charges et modification de morphologies
sous écoulement..)
-
Microscope optique (x40) couplé sur rhéomètre
MCR301
Viscoélasticité à l’état solide
• Mesure de module en torsion, flexion, compression et tension
- Plusieurs DMA avec chambre thermostatée (RSA2, triton )
Viscosimétrie en solution
• Viscosité intrinsèque (loi Mark Houwink, mesure masse molaires..)
Rhéométrie
capillaire
DMA
Rhéométrie
dynamique
CONTACTS
Plateforme
de rhéometrie
Viscosimétrie
Rhéométrie
élongationnelle
• IMP Site Univ. J. Monnet
UMR CNRS 5223
23, rue Paul Michelon
42023 Saint-Étienne
Jean-Charles MAJESTÉ
[email protected]
• IMP Site Université Lyon 1
UMR CNRS 5223
15 Bd Latarjet
69 622 Villeurbanne
René FULCHIRON
[email protected]
Procédes de mise en œuvre
et mise en forme
CONTACTS
• IMP Site INSA Lyon
UMR CNRS 5223
17 av. Jean Capelle
69621 Villeurbanne cedex
Françoise FENOUILLOT
[email protected]
Descriptif de la plateforme :
Cette plateforme, répartie sur plusieurs sites de l’IMP, offre différentes technologies de mise en œuvre et de
mise en forme des polymères à l’état fondu. Par exemple l’IMP possède une ligne d’extrusion réactive bi-vis,
une ligne de formulation bi-vis, un comalaxeur BUSS, une ligne de filage de polyesters naturels, une ligne de
co-extrusion, plusieurs types de mélangeurs (batch, cylindre, etc..) et plusieurs équipements de mise en forme
à l’échelle laboratoire (cast film, gaine, etc….).
Abderrahim MAAZOUZ
[email protected]
• IMP Site Univ. J. Monnet
UMR CNRS 5223
23, rue Paul Michelon
42023 Saint-Étienne
Christian CARROT c
[email protected]
• IMP Site Université Lyon 1
UMR CNRS 5223
15 Bd Latarjet
69 622 Villeurbanne
Flavien MÉLIS
[email protected]
Presses à
Injecter
Extrudeuses BiVis
CO-EXTRUSION
Procédés de mise
en œuvre et mise
en forme
Comalaxeur
BUSS
Mélangeurs
Filage Polyesters
Naturels
Mini-extrudeuses
Quelques exemples
Extrudeuses Bi-vis
Leistritz
Clextral
Dvis:18mm; L/D:60; N/1200
Dvis=27mm, L/D:48, N/1200
Doseurs liquide pondéral et latéral,
dévolatization
Mélangeur Polylab
Haake
Chambre 120 cc- 3 plaques
-couple max 300Nm- 400°C
3e plaque de remplacement en
verre pour visualiser les mélanges
Ligne cast film
Scamia
D=25mm
Banc de tirage cast, filière plate
100mm et 150mm
Ligne de gonflage
de gaine
Diani
Dvis=20mm - Dfil=40mm
Presse à injecter
SANDRETTO
Dvis=40mm Fermeture 60T
Sécheur
Revêtements et films minces :
Elaboration et caractérisation
Les compétences présentes au laboratoire IMP ainsi que l’accès à une plateforme variée d’outils d’élaboration
et de caractérisation permettent le développement de revêtements polymères et de films minces (< μm)
sur substrat rigides et/ou flexibles. Ceux-ci peuvent être obtenus par des stratégies de modifications chimiques
(grafting onto, grafting from, assemblage) ou par des procédés d’élaboration physico-chimiques multiéchelle.
De l’élaboration
• La plateforme pilote CoatingXpert, (http://
www.coatingxpert.fr) se compose essentiellement d’une chaîne semi-industrielle robotisée
avec différents types d’applicateurs pour liquides
(solvant et aqueux) et poudres. Elle dispose de
moyens de séchage et polymérisation thermique
(air chaud, IR) ou photoradicalaire (UV). Différents
bancs de laboratoire complètent l’équipement :
un banc d’essai équipé de lampes IR courtes
et moyennes et de lampes UV, un banc
de polymérisation UV ainsi que des moyens
d’application manuels (pistolets, handcoater).
A la caractérisation :
• Physico-chimique : spectroscopie IR-ATR (Nicolet is10), UV (Perkin Elmer lambda 650s), tensiomètre sur solide (GBX et Dataphysics), liquide
(Dataphysics et GBX) et poudre (GBX)
• Morphologique : AFM (MultiMode 8 Brucker
équipé des modes contact, tapping et PeakForce
QNM), MEB-FEG, profilométrie, microscopie optique en réflexion avec platine chauffante
• IMP Site INSA Lyon
UMR CNRS 5223
17 av. Jean Capelle
69621 Villeurbanne cedex
Anne BLOND
[email protected]
Descriptif de la plateforme :
•A
l’échelle du μm² au cm², la balance de Langmuir Blodgett, le dip coating, le spin coater
et le spray-coating sont des outils de laboratoire qui permettent d’obtenir des films minces
monocouches ou multicouches (selon le procédé
LbL par exemple) dont les caractéristiques (structuration, épaisseur, mécanisme de croissance,
topologie…) peuvent être aisément modulées par
les paramètres structuraux des polymères utilisés
ainsi que par les paramètres expérimentaux.
•A
l’échelle de la centaine du cm², le bar coater
permet de déposer des revêtements (entre 8 μm
et 200 μm en épaisseur) à faibles vitesses (< 0.5
m.min-1). La dynamique de dépôt est alors prise
en compte sur le rotary coater dont les vitesses
de dépôt sont modulables entre 0.5 et 50 m.min-1.
Ce banc d’enduction est équipé d’une racle et de
barres pour déposer des revêtements d’épaisseur
contrôlée au moyen de rouleaux calandreurs sur
un substrat flexible. L’évaporation est contrôlée au
moyen de deux sécheurs à air chaud.
CONTACTS
• Mécanique : analyse mécanique statique et
dynamique des films ou revêtements sur substrats
supportés, tests d’adhérence (pelage, clivage)…
Ainsi que des procédés de traitement de surface, tels que des traitements plasma, micro-ondes,
ozone et un laser excimer sont disponibles à l’IMP.
Aurélia CHARLOT
[email protected]
Jean-Yves CHARMEAU
[email protected]
Jannick DUCHET-RUMEAU
[email protected]
Caractérisation des polymères
par analyse thermique
CONTACTS
• IMP Site INSA Lyon
UMR CNRS 5223
17 av. Jean Capelle
69621 Villeurbanne cedex
Marion COLELLA
[email protected]
Descriptif de la plateforme :
Cette plateforme, répartie sur plusieurs sites de l’IMP, est équipée d’un ensemble complet de techniques d’analyses
thermiques permettant de mesurer les propriétés des matériaux polymères, tels que températures et flux de
chaleur associés aux transitions dans les polymères, études cinétiques, études de dégradation et de composition.
• IMP Site Université Lyon 1
UMR CNRS 5223
15 Bd Latarjet
69 622 Villeurbanne
Olivier GAIN
[email protected]
Analyse Calorimétrique
Différentielle - DSC
-80 à 400°C
Analyse
Thermogravimetrique
ATG
25°C à 1000°C
Plateforme
d’analyses
thermiques
Analyse
Calorimétrique
Différentielle – DSC modulée
-150 à 300°C
Analyse calorimétrique différentielle – DSC
• Mesure des températures et flux de chaleur
associés aux transitions suivantes :
évaporation, fusion, relaxation enthalpique, cristallisation, décomposition/oxydation, réticulation, transition
vitreuse, chaleur spécifique.
• Suivi cinétique de polymérisation
• Mesure d’OIT, temps d’induction
• Mesure de capacité calorifique
DSC Modulée
• Séparation des phénomènes cinétiques et
thermiques
• Spécificités de nos appareillages entre autre
les systemes de froid (RCS -80, -90 et -110 et
LNCA -170).
Analyse Thermogravimétrique - ATG
Couplage ATG/chromatographie gaz/spectrométrie de masse - ATG/GC/SM
• Mesure de la quantité et de la vitesse de
changement de masse en fonction de la
température et du temps dans une atmosphère contrôlée.
• Détermination de la composition des matériaux multicomposants.
• Quantification de pertes ou de gains de
masse liés à la décomposition, l’oxydation
ou la desolvatation.
• Etude cinétique de décomposition
Propriétés spécifiques des polymères
et mécanismes associés
Cette plateforme est équipée d’un ensemble d’appareils spécifiques permettant de mesurer et analyser dans
les matériaux polymères :
- les propriétés électriques/diélectriques et de conduction
- les propriétés de diffusion/sorption/perméation des gaz, vapeurs et liquides
La complémentarité des équipements de la plateforme permet de travailler avec une très bonne sensibilité de
mesure sur de larges gammes de propriétés et en conséquence, pour un vaste domaine d’applications fonctionnelles, tout en appréhendant les mécanismes à l’origine de ces fonctions.
Ainsi, l’analyse des mobilités moléculaires, même en milieu confiné ainsi que celle des transports électronique
et ionique permettent d’établir les relations structure-propriétés des matériaux dans les domaines de la microélectronique, de l’électronique et de l’électrotechnique ainsi que de tout matériau suffisamment polaire pour
donner une réponse électrique. L’étude du transport des petites molécules repose sur l’élucidation des mécanismes de diffusion, solubilité et perméabilité en relation avec la structure et la morphologie des matériaux et
sur l’optimisation des propriétés pour couvrir les domaines des matériaux barrière, des membranes à hauts flux
et des membranes de séparation.
Diélectrique, conductivité, multifonctionnalité
- Netzsch, capteurs polyimides, quartz et céramiques
à électrodes interdigitées
Application : suivi électrique in-situ des changements
de phase : vitrification, séparation de phases, suivi de
mise en oeuvre en RTM, en extrudeuse
• Mesures de résistivité et conductivité
- Keithley 220, 617, 237, Banc de caractérisations
haute tension (10kV)
- Cellules de mesures en température, cellule sous
pression
Application : percolation dans les composites polymères conducteurs, matériaux à effet CTP et CVP,
matériaux hybrides haute permittivité, matériaux
pour l’isolation électrique (cables, modules haute
puissance), propriétés ferroélectriques, conductivité
électrique des matériaux sous haute tension
• Multifonctionnalités : caractérisations couplées
électrique / rhéologiques/ magnétique /
thermique / mécanique
- Aimant (champs magnétique/électrique)
Application : matériaux orientés : haute permittivité,
conductivité unidirectionnelle
-
Caractérisations
couplées
des
matériaux
(mécanique/électrique)
- Système de mesure du flux de chaleur échangé lors
de l’application d’un champ électrique
Application : Propriétés électrocaloriques des matériaux, Relations conductivité électrique/flux de chaleur
échangé
Diffusion, sorption, perméation
• Transport de gaz
- Perméamètres à remontée de pression
Gaz : He, H2, CO2, O2, N2, CH4
Application : moyens et aux flux,étude des sélectivités
- OXTRAN (modèle 2/21 Mocon)
Gaz : O2
Application : propriétés barrières. Possibilité de réaliser
les mesures sur films hydratés dans des conditions
contrôlées
• Transport de vapeur d’eau
- Perméamètre à remontée de pression
Application : moyens et aux flux
- PERMATRAN (Modèle 3/33 Mocon)
Application : propriétés barrières à moyens flux
• IMP Site INSA Lyon
UMR CNRS 5223
17 av. Jean Capelle
69621 Villeurbanne cedex
Sébastien Pruvost
[email protected]
Descriptif de la plateforme :
• Dynamique moléculaire sous sollicitation
électrique
- Novocontrol, Solartron, TA Instrument - Mesures
en température [-150°C-350°C] et fréquences
[10-3Hz-10MHz]
Application : Détermination des caractéristiques diélectriques dans les matériaux massique ou confiné :
CONTACTS
• Pervaporation, perméation de mélanges de
liquides
- Cellules de perméation pour analyse par pesée
- Cellule de perméation couplée à une détection
chromatographie gazeuse
Application : des propriétés barrières aux hauts flux
étude des sélectivités
• SORPTION
- 2 microbalances de sorption (DVS Advantage et
SETARAM)
- Vapeurs (eau, toluène, éthanol), gaz
Application : isothermes de sorption (polymères)
et d’adsorption (charges) - étude des mécanismes
d’hydratation, de gonflement
• IMP Site Université Lyon 1
UMR CNRS 5223
15 Bd Latarjet
69 622 Villeurbanne
Eliane ESPUCHE
[email protected]
Gisèle BOITEUX
[email protected]
Procédés de synthèse et de
modification chimique
des polymères
CONTACTS
• IMP Site INSA Lyon
UMR CNRS 5223
17 av. Jean Capelle
69621 Villeurbanne cedex
Alain ROUSSEAU
[email protected]
• IMP Site Université Lyon 1
Descriptif de la plateforme :
Cette plateforme offre différentes technologies de synthèse et de modification chimique des polymères à plusieurs échelles de préparation allant de quelques grammes au kilogramme.
D’autre part cette plateforme inclue les extrudeuses dédiées au procédé d’extrusion réactive pour la synthèse
de polymères et/ou la modification chimique des polymères (synthétiques ou bio-sourcés)
UMR CNRS 5223
15 Bd Latarjet
69 622 Villeurbanne
Emmanuel BEYOU
[email protected]
Regis MERCIER
[email protected]
Polycondensation
Extrusion réactive
Réacteur de
polymérisation et/ou de
modification chimique
Modification
chimique
des polymères
Chimie radicalaire
à l’état fondu
Descriptif techniques des principaux équipements de la plateforme
• Réacteur de polycondensation : Polyester
(Missenart Quint)
Vol=7,5L, Tmax =300°C, Pmax= 7bars, entièrement
automatisé
Equipements annexes : granulateur, poste de viscosimétrie en solution, poste de dosage acide-base
Polymérisation de (co)polyesters aromatiques (PET, PTT,..)
et aliphatiques (PBS,…)
• Réacteur de polycondensation : Polyamide
(Premex/ISL)
Vol=1L, Tmax=350°C, Pmax=50bars, hublot, entièrement automatisé
Equipements annexes : granulateur, poste de viscosimétrie en solution, poste de dosage acide-base
Polymérisation de (co)polyamides aromatiques (PA6/
T,PA6/I,PA6/F,… ) et aliphatiques (PA6/6, PA11,...)
• 1 réacteur en acier inox de 500 mL (Parr)
Vmax = 500 mL, Pression max = 200 bars ; T max
= 350°C
Equipements annexes : ampoules d’addition de réactifs ;
systèmes de prélèvements de gaz
Greffage du méthacrylate de méthyle sur le pentadecane
• Réacteur en verre optimax (Mettler-Toledo)
V = 1000 mL, Pression = 0.05 à 1bars ; T = - 40°C
à +180°C ; V agitation = 30 à 1200 rpm
Oxydation et fonctionnalisation de charges graphitiques
• 3 Extrudeuses Bi-vis pour l’extrusion réactive
Leistritz ; Dvis : 18mm, L/D : 60, N :1200trs/min
Clextral ; Dvis : 27mm, L/D : 48, N :1200trs/min
Clextral ; Dvis : 21mm, L/D : 40, N : 600trs/min
Equipements annexes : capteurs (UV/Fluo, IR, pression, etc..), doseurs pondéraux et liquides, gaveur
latéral, dévolatisation, etc,
Applications : Polymérisation en masse, greffage
radicalaire, fonctionnalisation, compatibilisation
réactive, modification et génération in-situ de
charges
Directeur : Philippe Cassagnau
Ingénierie des Matériaux Polymères
UMR CNRS 5223 Site INSA Lyon
Bâtiment Jules Verne - 17, avenue Jean Capelle
69621 Villeurbanne Cedex - France
Tél. +33 (0)4 72 43 89 79 - Fax +33 (0)4 72 43 85 27
Contact : [email protected]
Ingénierie des Matériaux Polymères
UMR CNRS 5223 Site Université Jean Monnet
23, rue du docteur Paul Michelon
42023 Saint-Étienne Cedex 09 - France
Tél. +33 (0)4 77 48 15 55 - Fax +33 (0)4 77 48 51 26
Contact : [email protected]
Ingénierie des Matériaux Polymères
UMR CNRS 5223 Site Université Claude Bernard Lyon 1
Bâtiment ISTIL - 15, boulevard Latarjet
69622 Villeurbanne Cedex - France
Tél. +33 (0)4 72 44 81 58 - Fax +33 (0)4 78 89 25 83
Contact : [email protected]
www.imp.cnrs.fr