Description du sujet de thèse

Dans le domaine de la science des matériaux et de l'ingénierie, les polymères jouent un rôle crucial en raison de leur large gamme d'application. Cependant, face aux préoccupations environnementales croissantes, il y a un besoin urgent de développer des matériaux polymères plus durables. Alors que les thermoplastiques offrent recyclabilité et remise en forme, ils manquent souvent de performances mécaniques nécessaires pour des applications exigeantes. D'autre part, les thermodurcissables offrent des propriétés mécaniques supérieures mais ne sont pas recyclables ou réutilisables, ce qui entraîne une préoccupation accrue concernant les déchets. Pour résoudre ce dilemme, une nouvelle classe de matériaux polymères appelés Réseaux Covalents Adaptables (CANs) a récemment été développée. Ces matériaux comblent le fossé entre les thermodurcissables et les thermoplastiques en offrant à la fois des structures réticulées et une recyclabilité. Les CANs présentent des liaisons covalentes réversibles, reposant principalement sur le clivage et la reformation de liaisons telles que ester-alcool (transestérification) ou amine-imine (transamination). Récemment, une nouvelle réaction d'échange a été découverte dans notre équipe, offrant une opportunité pour développer et étudier une toute nouvelle gamme de CANs. Nous proposons dans ce projet d'explorer cette nouvelle famille de matériaux au travers de la synthèse des monomères constitutifs du CAN, de leur utilisation. Nous étudierons aussi les mécanismes d'échanges et les propriétés mécaniques des CANs obtenus.
Dans une première partie du projet les monomères constitutifs du CAN seront synthétisés et utilisé à la fois pour la formation de CAN, mais aussi dans des réactions modèles afin de pouvoir étudier finement, à l'échelle moléculaire, les mécanismes d'échange. Ceci nous permettra ensuite de développer une seconde génération de monomères porteurs de fonctions chimiques diverses permettant de modifier l'environnement stérique et électronique à proximité des sites réactifs où se dérouleront l'échange dynamique dans le but de moduler/contrôler cet échange et pouvoir influer sur les propriétés des matériaux.
Une seconde partie du projet visera à étudier les propriétés mécaniques et thermomécaniques des CANs, et de corréler les résultats obtenus aux études modèles d'échanges dans le but de pouvoir comprendre, voire prédire le comportement de nos matériaux en fonction des monomères utilisés
Enfin des études visant à évaluer le potentiel de ces tout nouveaux CAN dans leur remise en œuvre/recyclage seront aussi entreprise afin de pouvoir avoir une vision complète du potentiel de ces matériaux, du monomère jusqu'au recyclage.
Le candidat au doctorat travaillera au sein du Laboratoire Softmat : Chimie des colloïdes, polymères et assemblages complexes sur le campus de l'Université de Toulouse III Paul Sabatier. Les activités de recherche du laboratoire (UMR CNRS 5623) couvrent l'étude des systèmes moléculaires ou macromoléculaires auto-organisés, allant de la synthèse de chaque élément constitutif, en passant par la caractérisation physico-chimique, jusqu'aux applications. Le candidat au doctorat sera intégré au sein de l'équipe P3R qui possède une solide expertise en chimie des polymères, en polymères dégradables et en matériaux de chimie dynamique tels que les réseaux adaptables covalents (CANs) / vitrimères.

Contexte de travail

La thèse se déroulera au sein du laboratoire SOFTMAT (Chimie des colloïdes, polymères et assemblages complexes), une unité mixte de recherche UMR CNRS 5623 rattachée à l’Université Toulouse. Le laboratoire est structuré en quatre équipes de recherche, couvrant des thématiques interdisciplinaires en chimie des polymères, physico-chimie des colloïdes, auto-assemblage et chimie bio-inspirée. Le projet de thèse sera mené au sein de l’équipe P3R (Polymères de Précision par Procédés Radicalaires), dont l’expertise porte notamment sur le développement de matériaux polymères innovants par polymérisation radicalaire contrôlée. Une des thématiques fortes de l’équipe concerne les matériaux polymères dynamiques, en particulier les vitrimères, qui associent des propriétés de résistance mécanique à la possibilité d’être remodelés ou recyclés grâce à des échanges de liaisons covalentes dynamiques. La thèse sera co-encadrée par Olivier Coutelier (Maître de conférences) et Marc Guerre (Chargé de recherche CNRS). Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR THIODYNMAT, qui vise à développer et caractériser de nouvelles classes de matériaux covalents adaptables fondés sur la chimie des thiolactones.