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Altun, Veysi. Solvent stable UV and EB cross-linked polysulfone-based membranes

Altun, Veysi (2016). Solvent stable UV and EB cross-linked polysulfone-based membranes.

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Résumé en francais

La part des technologies membranaires en tant que technique de séparation a rapidement augmenté au cours de ces dernières années grâce à leur large gamme d'applications. Le marché en pleine expansion nécessite des matériaux polymères avancés qui montrent une résistance accrue vis-à-vis du gonflement et de la plastification en séparation de gaz (GS) ou vis-à-vis de solvants forts et des conditions de pH extrême en nanofiltration en milieu organique (SRNF). Aujourd'hui, la réticulation apparait comme une technologie prometteuse pour répondre à ces nouveaux besoins. La réticulation chimique est l'une des techniques les plus couramment utilisées et est basée sur une réaction chimique entre un polymère (par exemple un polyimide) et un réticulant (par exemple une diamine ou un diol). Cependant pour des polymères, tels que les polysulfones (PSU), qui ne contiennent pas de groupes fonctionnels chimiquement réactifs dans leur squelette, cette technique n'est pas viable. Enfin la réticulation chimique implique plusieurs étapes de traitement et induit des flux de déchets nocifs. La recherche d'une technique de traitement rapide et verte généralement applicable est donc d'une première importance. Deux nouvelles techniques de réticulation, que sont les traitements par rayons ultraviolets (UV) pour par faisceaux d'électrons (EB), ont donc été explorées dans cette thèse afin d'obtenir des membranes stables chimiquement et thermiquement, ce qui est intéressant pour les applications SRNF. Des membranes asymétriques, composées d'un réseau polymère semi-interpénétrant (SIPN), ont été préparées par séparation de phase induite par un solvant (NIPS). Le PSU a été choisi comme polymère grâce à ses caractéristiques intrinsèques suivantes : propriétés thermiques et mécaniques importante, photosensibilité et absence de groupes réactifs. Les membranes réticulées à structure SIPN ont été obtenues par traitement UV et EB. Ces techniques possèdent plusieurs avantages par rapport à la réticulation chimique : une réduction de la production de déchets, des besoins énergétiques plus faibles et des temps de traitement rapides. Dans une première partie, nous avons étudié l'influence de la fonctionnalité du réticulant, de l'énergie du rayonnement et du rapport polymère / réticulant sur l'efficacité de la réticulation par EB. Des agents de réticulation à base d'acrylate ont été utilisés. Les membranes obtenues ont été caractérisées par des expériences en ATR-FTIR, SEM et de filtration, ainsi que des essais de stabilité contre des solvants forts. Le meilleur type de réticulant et sa concentration optimale sous une dose d'EB optimale ont ensuite été sélectionnés pour les études suivantes. Dans la seconde partie, nous avons exploré les effets du rapport solvant / co-solvant et du temps d'évaporation avant la précipitation des membranes en PSU réticulées par la suite soit par UV et soit par EB; le tétrahydrofurane (THF) ou le 1,4-dioxane (DIO) étant utilisés comme solvant. Dans les deux cas, les morphologies membranaires différent en fonction des paramètres étudiés de l'inversion de phase. L'augmentation du temps d'évaporation réduit la formation de macrovides et permet l'apparition de structures spongieuses. Les flux de solvant sont généralement restés trop faible pour que les membranes soient vraiment utiles en SRNF. Un post-traitement a été effectué pour augmenter le flux en immergeant les membranes réticulées dans du dimethylformamide (DMF) pendant 48 h. Les membranes résultantes ont des perméances plus élevées et des taux de rejets plus faibles. Elles sont alors particulièrement intéressantes pour une utilisation en tant que supports stables de membranes composites. Dans une troisième partie, nous avons étudié les caractéristiques mécaniques, l'effet de l'épaisseur du film de collodion et les propriétés de surface des membranes réticulées par les deux procédés d'irradiation. Le comportement au gonflement de films minces de PSU durcis aux UV en fonction de différents paramètres de durcissement (dose du rayonnement et la fonctionnalité du réticulant) a été analysé par ellipsométrie. En conclusion, des membranes en PSU asymétriques stables aux solvants ont été développées par deux méthodes simples, respectueuses de l'environnement et hautement efficaces. Les performances en SRNF et la résistance chimique améliorée des membranes réticulées montrent le fort potentiel des deux procédures de réticulation mises en œuvre dans le cadre d'applications industrielles adéquates après une optimisation supplémentaire.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Remigy, Jean-Christophe
Vankelecom, Ivo F.J.
Ecole doctorale:Mécanique, énergétique, génie civil, procédés (MEGeP)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire de Génie Chimique (LGC), UMR 5503
Mots-clés libres :Nanofiltration - Solvant - Résistance - Réticulation - Polysulfone
Sujets :Chimie
Déposé le :16 Oct 2018 14:17