Réticulation de polymères polysulfure par réaction thiol-Michaël contrôlée

par Vincent Froidevaux

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Bernard Boutevin.

Le président du jury était Stéphane Carlotti.

Le jury était composé de Bernard Boutevin, Stéphane Carlotti, Filip Du Prez, Laurent Fontaine, Rémi Auvergne, Jean-Marc Campagne.

Les rapporteurs étaient Filip Du Prez, Laurent Fontaine.


  • Résumé

    Les mastics polysulfures sont très utilisés dans l'aéronautique, ceci grâce à leur bonne tenue au froid et leur résistance au carburant. La plupart d'entre eux sont des bicomposants (un polymère polysulfure et un durcisseur avec éventuellement un catalyseur dans l'un des composants). Les formulations de mastic, réticulé au MnO2, permettent d'avoir des temps de gel de 2 jours, avec une réticulation complète au bout de 70 jours. Cependant, ce temps de gel long induit un temps de réticulation trop long. Ainsi, l'objectif de cette thèse était de créer un nouveau type de mastic, qui serait idéalement monocomposant avec un temps de gel toujours long, voir infini et qui réagirait sur demande après stimulus avec un temps de réticulation court. C'est ce qui est appelé le concept SCOD (sealant cure on demand). Pour cela, il faut bloquer un des trois réactifs, et que celui-ci soit déblocable sur demande à l'aide d'un stimulus simple industriellement tel que la température (cible entre 60-80°C). Le concept de blocage choisi est la réaction de Diels-Alder sur des composés accepteurs de Michaël. En effet, cette réaction est réversible et la cycloréversion permet la déprotection de la double liaison réactive. Après déblocage, l'accepteur de Michaël peut réagir avec le polysulfure. Une première étude, sur les accepteurs de Michaël, a permis de déterminer que les fonctions maléimides, en présence de DABCO, donnent les meilleures cinétiques pour la réaction avec les thiols du polysulfure. Une deuxième étude, sur la réaction de Diels-Alder et rétroDiels-Alder, a prouvé la faisabilité du projet et a permis de sélectionner les dérivés du furane comme agents bloquants pour répondre à la fourchette de température imposée. Ensuite, des durcisseurs polymaléimides aliphatiques ont été synthétisés à l'aide des Jeffamines® d'Huntsman et bloqués avec le furfuryl acétate, afin d'être utilisés pour la création de matériaux suivant le concept SCOD. Le temps de gel obtenu avec les durcisseurs bloqués, était de 7 jours et un matériau était obtenu après 17 heures de chauffe. Le concept SCOD a donc été démontré. Cette étude a, ensuite, été extrapolée au Centre de Recherche d'Hutchinson en formulation modèle sur de plus grandes quantités. Aussi, les propriétés des mastics obtenus ont été déterminées et répondaient à une majorité des critères du cahier des charges.. Le déblocage a été amélioré après ajout d'un thiol tétrafonctionnel (PETMA, co-agent) et l'utilisation d'un autre catalyseur (DBU), Le temps de déblocage étant encore trop long et le bloquant, relargué dans la formulation, forme des porosités dans le mastic et dégrade, de fait, les propriétés de celui-ci. Ainsi une dernière partie d'amélioration a été effectuée. En effet, dans celle-ci, une nouvelle génération de durcisseur, cette fois-ci aromatique, et d'agent bloquant, jouant le rôle de plastifiant non volatil, a été créée et testée en laboratoire. Ceux-ci ont présenté de très bons résultats préliminaires avec des temps de déprotection plus courts et des bloquants moins volatils à la température de déblocage comparé au furfuryl acétate. L'extrapolation doit se poursuivre fin 2014-début 2015 sur ces nouveaux durcisseurs en formulation mastic modèle.

  • Titre traduit

    Polysulfide polymers Crosslinking by a controlled thiol-Michaël reaction


  • Résumé

    Polysulfide sealants are widely used in aviation because of their good resistance to low temperature and to fuels. Most of them are bycomponent (a polysulfide polymer and a crosslinking agent and, eventually a curing catalyst in one of them). These sealant formulations, crosslinked with MnO2, have a gel time of two days, with a full curing after 70 days. However, because of this short gel time, the curing time is too long. Thus, the objective of this thesis was to create a new type of sealant, monocomponent, with still a long gel time, ideally infinite, that could react on demand after stimulus, in order to have a short curing time. This concept is called SCOD concept (sealant cure on demand). These criteria require to block one of the three products, and this one should be unblocked on demand using an ease stimulus such as temperature. The system chosen as blocking principle is the Diels-Alder reaction of a Michaël acceptor. Indeed, this reaction is reversible and the cycloreversion allows to unprotect the reactive double bond. After the unblocking reaction, the Michaël acceptor may react with the polysulfide. A primary study, on Michael acceptors, allowed to determine that maleimide function, in the presence of triethylamine, gives the best kinetics for reaction with polysulfide's thiol. A second study, this time on the Diels-Alder and retroDiels-Alder reaction, proved the feasibility of the project and allowed to select furan derivatives as blocking agents. Then, aliphatic polymaleimides hardeners were synthesized using Huntsman's Jeffamine and were blocked with the acetate furfuryl, so as to be used for creating SCOD materials. The gel time obtained with blocked hardener was 7 days at room temperature and after heating for 17 hours, a material was obtained; the SCOD concept has been demonstrated. The study was, then, extrapolated to Hutchinson's research and development department on bigger quantities to do some basic formulation. In addition, the sealant's characteristics have been determined and have shown very interesting results. Unblocking time was improved after adding tetrafunctional thiols (co-agent) and one another catalyst (DBU). The unblocking time was too long and the blocking agent, once released into the formulation, formed porosities into the sealant and, because of it, damaged the properties of the sealant. A latter part was done to improve the SCOD concept. Two new generations of hardener, aromatic this time, and blocking agent, acting as a non-volatile plasticizer, were created and tested in laboratory. These have presented very good preliminary results. Indeed, the unblocking time is much shorter and the unblocking agent is less volatile at high temperature compare to acetate furfuryl. The scaling up to pilot level is under way (end of 2014).

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