Polymerization of ethylene : from free radical homopolymerization to hybrid radical / catalytic copolymerization

par Etienne Grau

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Christophe Boisson, Vincent Monteil et de Roger Spitz.

Soutenue le 15-11-2010

à Lyon 1 , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie, Catalyse, Polymères et Procédés (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent Bonneviot.

Le jury était composé de Roger Spitz, Sylvain Marque, Michel Glotin.

Les rapporteurs étaient Krzysztof Matyjaszewski, Stéphane Mecking.

  • Titre traduit

    Polymérisation de l’éthylène : de l’homopolymérisation radicalaire à la copolymérisation hybride radicalaire / catalytique


  • Résumé

    Ce travail concerne l'étude de la polymérisation de l'éthylène allant de l'homopolymérisation purement radicalaire jusqu'à la copolymérisation utilisant un mécanisme hybride radicalaire/catalytique. Ce travail montre que le polyéthylène peut être synthétisé par voie radicalaire dans des conditions expérimentales beaucoup plus douces que celles utilisées industriellement (P>1000 bar et T>100°C). L'éthylène a été polymérisé à partir de 10°C et 5 bar de pression d'éthylène. Un important effet activateur du solvant a été mis en évidence. De plus la polymérisation en milieu dispersé aqueux de l'éthylène a aussi été étudiée. Des latex stables de PE avec des taux de solide de 40% ont pu être obtenus. Deux morphologies de nanoparticules, cylindre ou sphère, ont été observées. La copolymérisation radicalaire avec des monomères vinyliques polaires a été également étudiée en solution ou en émulsion. Des insertions d'éthylène jusqu'à 50% ont été obtenues. De plus l'influence du comonomère et du solvant organique utilisé sur la polymérisation radicalaire de l'éthylène a été quantifiée. Une nouvelle technique de polymérisation hybride radicalaire/catalytique a été développée pour pouvoir obtenir toute la gamme de compositions possibles de copolymères éthylène/monomère polaire à partir d'un complexe de nickel qui amorce la polymérisation radicalaire et catalyse également la polymérisation de l'éthylène. Ce complexe subit une rupture homolytique réversible de la liaison nickel carbone et permet la synthèse de copolymères multiblocs. Des insertions d'éthylène de 1% à 99% ont été obtenues en faisant varier la pression d'éthylène et la concentration en comonomères polaires


  • Résumé

    This work aims to study ethylene polymerization from the free radical polymerization process to the copolymerization by a hybrid radical/catalytic mechanism. PE is synthesized by free radical polymerization under milder experimental conditions than industrial ones (P>1000 bar and T>100°C). Indeed free radical polymerization of ethylene is efficient even down to pressure of 5 bar and temperature of 10°C. Several unexpected behaviors are observed such as a high solvent activation effect. Beside the slurry process in organic solvent, polymerization in aqueous dispersed media is also performed. Stable PE latexes are obtained with solid contents up to 40%. Two different PE particles morphologies are observed cylinder-like and sphere-like. Then free radical copolymerization is studied using a broad range of polar vinyl monomers in organic solvent and emulsion. Insertions up to 50% of ethylene are obtained under mild conditions. The ambivalent role of comonomer as monomer and activator of the polymerization is highlighted. In order to obtain a wide range of composition of polar/non-polar copolymers a new technique of polymerization has been developed. A nickel complex is used to initiate the free radical polymerization and to catalyse the coordination/insertion ethylene polymerization. This nickel complex is capable of a reversible homolytic cleavage of its nickel-carbon bond. Finally, this hybrid process is used to copolymerize efficiently ethylene with various polar vinyl monomers. Multiblock copolymers with ethylene content from 1% to 99% are obtained by simply varying the monomer feeds


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