Systèmes polymères fonctionnels

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Les polymères fonctionnels font l'objet de nombreux travaux de recherche menés par l'Institut des matériaux industriels CNRC. Ces recherches touchent spécialement le domaine biomédical et celui des énergies renouvelables.

Figure 1. Nanostructure fibreuse de polystyrène en chapelet.

Pourquoi les polymères fonctionnels ?

Les polymères fonctionnels contiennent des groupements chimiques qui exercent une fonction précise, qu'elle soit biologique, pharmacologique, électrique ou autre. Les polymères intelligents sont des polymères qui ont la capacité de sélectionner et d'exécuter certaines fonctions spéciques. Ils répondent à un stimulus externe par des variations de leur structure, de leur composition ou de leurs propriétés. Les stimulus engendrant ces variations sont très variés : pH, solvant, température, champs électrique ou magnétique, lumière, etc.

L'industrie de la plasturgie maîtrise de mieux en mieux les procédés de mise en forme des polymères conventionnels. Les enjeux se situent maintenant dans le domaine des matériaux, leur formulation et leurs propriétés. Le groupe Systèmes polymères fonctionnels de l'IMI-CNRC a pour mission de répondre aux besoins stratégiques de l'industrie canadienne quant à l'ajout d'intelligence et de fonctionnalité dans les matériaux polymères. Le développement de ces nouvelles technologies¸permettra à l'industrie de faire face aux nouveaux dés qu'elle doit relever.

Énergies renouvelables et santé

Les scientiques de l'IMI-CNRC travaillent sur les piles à combustible de demain qui seront peu coûteuses et efficaces. Parallèlement, afin de veiller à la santé de la population canadienne, l'IMI-CNRC vise à mettre au point divers matériaux polymériques : greffons vasculaires, implants neuronaux et systèmes pour régénération osseuse.

Applications visées

Le groupe Systèmes polymères fonctionnels se concentre sur les applications suivantes :

Applications biomédicales :

• applications orthopédiques (implants de hanche, cartilage articiel);
• applications cardiovasculaires (greffons);
• génie tissulaire (régénération de nerfs, peau, cartilage, implants neuronaux, etc.).

Énergies renouvelables :

• membranes échangeuses de protons pour applications dans les piles à combustible;
• piles solaires et cellules photovoltaïques.

Textiles intelligents :

• fibres conductrices;
• fibres thermochromiques, électrochromiques;
• fibres piézoélectriques.

Figure 2. Tige fémorale en composite polymérique pour implants de hanche.

Mise en forme et caractérisation de polymères

L'IMI-CNRC effectue des recherches dans le domaine de la mise en forme de polymères sous forme de films, de fibres et de mousses. Les objectifs sont de :

• relier les paramètres de procédés à la structure (morphologie et orientation) développée dans les films, fibres et mousses;
• développer des modèles et relations entre la structure et la performance (mécanique, retrait, déchirure, barrière, etc.);
• développer des techniques pour le suivi en ligne des procédés (épaisseur, cristallinité, orientation, etc.);
• développer des modèles et des méthodes de simulation pour l'optimisation des procédés.

D'importants travaux visant la caractérisation des polymères sont aussi menés. Ils touchent :

• la rhéologie des polymères à l'état fondu, en cisaillement et en élongation;
• la morphologie des mélanges et des mousses polymères;
• la caractérisation de l'orientation moléculaire;
• la caractérisation mécanique, thermique et électrochimique.

Polymères pour médecine régénérative

L'IMI-CNRC réalise des recherches dans le domaine des matériaux à base de polymères pour des applications en médecine régénérative. Les matériaux développés contribuent entre autres à la guérison et à la reconstruction osseuse, ce qui inclut des applications orthopédiques et maxillo-faciales spéciques. D'autres recherches visent à développer des greffons et des treillis de régénération cardiovasculaire, neuronale et nerveuse.

Figure 3. Croissance de cellules d'os (ostéoblastes; noyau cellulaire en rouge, matrice extracellulaire en vert) sur polymères biocompatibles (polyéthylène téréphthalate/POSS?).

Figure 4. Cellules endothéliales fluorescentes alignées sur structure non-tissée de fibres de polyéthylène téréphthalate.

Énergies renouvelables

Les scientiques du groupe Systèmes polymères fonctionnels développent des matériaux polymériques servant à fabriquer des membranes échangeuses de protons pour des applications dans les piles à combustible. Les activités de l'IMI-CNRC visent à mettre au point de nouveaux matériaux basés sur les mélanges polymères et les polymères composites avec pour objectif de concevoir de nouvelles membranes plus performantes et à moindre coût. L'approche est basée sur le développement de systèmes électrolytes multicomposantes à l'aide de techniques de mise en forme à l'état fondu telles que l'extrusion, le calandrage et le soufflage.

Figure 5. Membrane échangeuse de protons pour piles à combustible, avant et après sulfonation.

Fibres intelligentes

Les fibres intelligentes sont étudiées par le groupe Systèmes polymères fonctionnels. Ces fibres serviront pour différentes applications en génie civil et industriel, dans le domaine biomédical et pour des applications militaires. L'IMI-CNRC s'intéresse particulièrement aux fibres à haute performance, offrant une résistance mécanique ou thermique supérieure; aux fibres conductrices, conçues à partir de polymères conducteurs ou de micro/nanoparticules conductrices; aux fibres piézoélectriques, pouvant livrer un signal suite à leur déformation; ainsi qu'aux fibres chromiques ou photovoltaïques, ayant la capacité de changer de couleur au besoin ou de générer de l'électricité à partir de la lumière. L'IMI-CNRC développe actuellement des procédés de fabrication de fibres photovoltaïques basées sur ces polymères en utilisant différentes technologies de filage multicouche.

Nanofibres électrofilées de Nafion® (polymères conducteur d'ions, diamètre moyen 60 nm) surune membrane soufflée de popypropylène.

Figure 7. Fibres conductrices électrofilées de poly(3-hexylthiophène) (500 nm diamètre moyen)

Nos installations

L'IMI-CNRC possède des équipements et laboratoires de pointe tels que :

• ligne d'extrusion soufflage de films monocouches;
• ligne d'extrusion soufflage de films multicouches;
• ligne de coextrusion « cast »;
• appareil de mesure de la résistance à la déchirure;
• appareil de mesure du Gloss;
• appareil de mesure Haze;
• biréfringence;
• étireur biaxial;
• appareil de caractérisation des propriétés mécaniques;
• impact et fatigue;
• mesure d'épaisseur;
• montage de déformation;
• microscope optique;
• retrait;
• microscope électronique à balayage;
• spectroscopie infrarouge;
• spectroscopie UV-visible.

Collaborez avec l'IMI-CNRC

Vue aérienne de l'Institut des matériaux industriels du Conseil national de recherches Canada

Grâce à son expertise et ses équipements de pointe, l'Institut des matériaux industriels CNRC est un partenaire de choix pour en apprendre davantage sur les technologies à base de polymères fonctionnels et pour poursuivre le développement de cette science.

Les ressources de R et D de l'IMI-CNRC sont accessibles aux laboratoires de recherche ainsi qu'aux industries qui souhaitent réaliser des projets de collaboration avec une approche intégrée, bénécier d'un support technique ou réaliser des études de faisabilité pour le développement d'un procédé ou d'un produit.

Contactez-nous

Lucie Robitaille, Ph.D. Chef de groupe Systèmes polymères fonctionnels Tél. : 450-641-5032 Téléc. : 450-641-5105 Courriel : Lucie.Robitaille@cnrc-nrc.gc.ca
Alexandre Paris, ing. Agent de commercialisation Conception de matériaux de pointe Tél. : 450-641-7524 Téléc. : 450-641-5105 Courriel : Alexandre.Paris@cnrc-nrc.gc.ca

Information pertinente

Instituts:

• Institut des matériaux industriels du CNRC