15 II. Réactions de polymérisation Les réactions de polymérisation

II. Réactions de polymérisation
Les réactions de polymérisation peuvent être divisées en deux catégories selon le
mécanisme de croissance de la chaîne :
II.1. Réactions de polymérisation en chaîne
Une chaîne de longueur x peut uniquement se combiner à un monomère afin de
continuer sa croissance : x—mer +monomère
(x+1) —mère
II.1.1. Réactions de polymérisation par addition radicalaire
Les étapes de la polymérisation en chaîne radicalaires sont
.
Etape de terminaison :
.
Kp
Mn + M
.
2R
Ka
R+M
 Etape de propagation :
.
kd
 Etape d’amorçage (initiation) : I
.
Mn + Mm
Kt
M
.
.
Mn+1
Mn+m
“t(1/2) d’un radical est de :0,1-10 s”
Etape d’amorçage :
L’amorçage peut être initié par utilisation des voies : Chimiques, thermiques, hʋ,
redoxs
Exemple de peroxyde de benzoyle :
Vitesse de décomposition = RI = kd [ I ]
Vitesse de formation des radicaux R. = 2f kd [ I ]
f: facteur d’efficacité 0,4 < f < 0,9
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Etape de propagation
.
.
Mn + M
Mn+1
Exemple
Vitesse de propagation =Rp = kp [M] [M. ]
.
.
∑ [Mi ] = [M ]
i
Etape de terminaison
 Processus aléatoire :
.
.
kt
.
.
kt
Mn + Mm
Mn + Mm
Mn+m
combinaison
Mn + Mm
dismutation
Vitesse de terminaison =Rt = kt [M .]2
.
.
∑ [M i ] = [M ]
i
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II.1.2. Réactions de polymérisation par addition ionique
Les polymérisations ioniques sont beaucoup plus rapides que les polymérisations
radicalaires car :
Ionique : 10-4 - 10-2 mol/L
[Sites actifs]
Radicalaire : 10-9 - 10-7 mol/L
δ+ δ-
R+-X-
R-X
Liaison covalente
R+//X-
Paire d’ions
de contact
Polarisation
Paire d’ions
solvatés
Ionisation
R+ + XIons solvatés
Dissociation
-
Polymérisation anionique :
M-, Cat+ + M
M–M , Cat+
Polymérisation cationique :
M+, An- + M
M–M+ , An+
II.1.2.1. Polymérisation anionique
-
Amorçage
 Bases classiques: NaOH, KOH, alcoolates, KNH2 , …
 Bases très fortes, organométalliques: C4H9Li, …
 Métaux alcalins (transfert d’e- ): Na, Li, K
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Propagation :
-
Cat+, Mn
+
kp
M
-
Cat+, Mn+1
Terminaison :
-Rare en polymérisation anionique
polymères vivants
-Terminaison par impuretés électrophiles (CO2, H2O, O2, acides, …)
-Synthèses de polymères fonctionnalisés
Cinétique simple :
-
I
-
ki
+ M
-
M
kp
Mn + M
-
Mn+1
ki << kp
Utilisation :
-Réaction privilégiée pour la fabrication de polymères fonctionnalisés.
-Réaction privilégiée pour la fabrication de copolymères blocs.
-Possibilité de modifier à souhait le polymère en croissance grâce au caractère
vivant.
II.1.2.2. Polymérisation cationique
Amorçage :
 Acides forts (Brönsted): H2SO4, HClO4, CF3SO3H, CF3COOH,
H+, An-
C+–CH3, An-
+
 Acides de Lewis + coamorceur (acide de Brönsted faible)
BF3, AlCl4, TiCl4, SnCl4,
BF3
+
Propagation:
-
K
H2O
+
An, Mn
CH3COOH, H20, phénol,
+ M
[F3BOH]-, H+
kp
-
+
An, Mn+1
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C+–CH3, F3BOH-
Terminaison et transfert:
-Transfert au monomère
-Transfert spontanée
-Décomposition de l’anion
-Par impuretés nucléophiles
“Polymères vivants uniquement si forte stabilisation du carbocation”
Cinétique
Polymérisation anionique
Polymérisation cationique
simple
complexe
• Réactions très rapides >> anioniques >> radicalaires
• Etat stationnaire en sites actifs rares
• Plusieurs espèces de sites actifs (ions libres, paire d’ions, agrégats, ..)
• Terminaison f(T)
• Transfert de chaîne au monomère à une influence directe sur la masse moléculaire
• Réactions très rapides avec les impuretés
très purs !
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travailler avec des monomères
II.1.3. Réactions de polymérisation en chaîne stéréospécifique (coordination)
En polymérisation radicalaire, l'addition d'une molécule monomère a un site actif se
fait généralement sans orientation du groupe entrant dans la macromolécule. La
seule manière de produire stéréo-spécifiquement des polymères est d'orienter le
groupe entrant par rapport au noyau macromoléculaire.
Ceci peut se faire a l'aide de catalyseurs stéréospécifiques tels que ceux de type
Ziegler-Natta.
Ces catalyseurs ont la capacité de coordiner le monomère a la chaîne cinétique
et de l'orienter avant son insertion a la macromolécule.
Ces catalyseurs sont des composés organométalliques invoquant un métal cation du
groupe I - III (Ex: triéthyl aluminium) et un composé métal de transition des groupes
IV-VIII (Ex. tétrachlorure de titane).
CH3
AlEt3 + TiCl4
: Orbital vacant
Cl
Le mécanisme d'insertion monométallique du monomère entre le métal de transition
et la chaîne peut titre schématise comme
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+
CH2
CHR
Coordination du
monomère additionné
Formation de l’état de
transition Centré sur 4
Addition
Syndiotactique
Addition
Isostatique
II.2.1. Réactions de polymérisation par étapes (par condensation)
Des chaînes de n’importe quelle longueur x ou y se combinent pour former des
chaînes plus longues :
x—mer + y—mère
-Chaque étape se déroule de manière indépendante
-Avec élimination d’un composé volatil
-Sans élimination d’un composé volatil
-Recombinaison de radicaux
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(x+y) —mère
Exemple : synthèse du Nylon [6,6], PA 6,6
HOOC–(CH2)4–COOH + H2N–(CH2)6–NH2
Acide adipique
HMDA
O
O
HO–C–(CH2)4–C–NH–(CH2)6–NH–H + H2O
Nylon 6,6
Fibres: Mn=11000-18000 g/mol, DPn =100-150
Utilisation :
Moulages: Mn=20000-34000 g/mol, DPn =180-300
II.3. Techniques de polymérisation
Le Tableau II.1, regroupe les techniques de polymérisation, les avantages et les
inconvénients de chaque technique.
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Tableau II.1 : Technique de polymérisation, avantages et inconvénients
Polymérisation en
Masse
(sans solvant ni milieu dispersant)
Avantages
Haute performance
Faible coûts de séparation
Haute pureté du produit
Pas de réactions de transfert
Désavantages
Haute viscosité (problèmes d'évacuation
de chaleur et d'homogénéité)
Problèmes de pompage
"fouling" du réacteur aux parois
Solution
(polymérisation du monomère dissout
dans le solvant)
Faible viscosité
Meilleure homogénéité
thermique et de concentration.
Peu de blocage de réacteur
Suspension
(polymérisation de gouttelettes de
monomère + amorceur dispersées dans
une phase inerte ou précipitation du
polymère dans la phase monomère.)
Emulsion
(Formation de petites particules de
polymère via des micelles ou nucléation
homogène dans la phase dispersée de
gouttelettes de monomère dans un
solvant inerte contenant l'amorceur)
Faible viscosité
Bon transfert de chaleur
Coût de séparation faible par
rapport à la technique
d’émulsion
Faible viscosité
Bon transfert de chaleur
Haute vitesse de polymérisation
Hautes masses moléculaires
Faible capacité (p/r masse)
Coût élevés de séparation
Souvent les solvants sont toxiques et
inflammables
Réactions de transfert
Faible capacité par rapport à la
technique de la masse
Mode de fonctionnement discontinu
Eaux usées
"fouling" du réacteur aux parois
Coût élevés de séparation
Eaux usées
"fouling" du réacteur aux parois
L'émulsifiant se retrouve comme
impureté dans le polymère
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Polymères
LDPE,
LLDPE,
PVC,
PS, PMMA,
PA,
Polyester
SBR, PVA,
PAN, PS,
PVAL.
PVC, ABS,
PVA,
PMMA,
SAN, PTFE,
SBR, NBR
SBR, PVA,
PAN, PS,
PVAL.