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Editing sustainable (and circular) polymers from CO2 and renewables

par Siragusa, Fabiana
Président du jury Jérôme, Christine
Promoteur Evano, Gwilherm ;Detrembleur, Christophe
Publication Non publié, 2022-12-08

Thèse de doctorat

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Résumé :

Parmi tous les matériaux, les plastiques sont parmi les produits les plus importants de notre vie quotidienne. Grâce à leur facilité de production et de transformation, leur faible coût et leurs propriétés personnalisables, les plastiques se retrouvent en effet dans pratiquement tous les secteurs d’applications, par exemple, dans l'emballage, l'automobile, l'industrie pharmaceutique ou pour les appareils électriques et électroniques. Cependant, ils sont principalement produits à partir de pétrole et contaminent l'environnement lorsqu'ils ne sont pas correctement recyclés, ce qui conduit à la catastrophe environnementale que nous connaissons tous. L'utilisation du dioxyde de carbone (CO2) comme substitut au pétrole devrait limiter notre dépendance à cette ressource fossile et éviter d'être affectés par les problèmes géopolitiques associés auxquels nous sommes actuellement confrontés. Le CO2 est en effet disponible en grandes quantités et à faible coût, et il pourrait contribuer à un secteur du plastique plus durable en permettant la production sur site de plastiques. Pour atteindre cet objectif ambitieux, des transformations efficaces opérant dans des conditions douces et produisant peu de déchets doivent être développées, et des scénarios de fin de vie des nouveaux polymères doivent être envisagés.L'objectif de cette thèse est de fusionner des transformations innovantes du CO2 avec des molécules biosourcées pour produire des polymères fonctionnels dans des conditions douces. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet Excellence of Science (EoS) "BIOFACT" qui traite de la transformation de la lignine en produits chimiques et polymères, en commençant par la dépolymérisation sélective de la lignine. Ma contribution à ce projet est de développer des voies innovantes pour copolymériser une variété de diols ou de diamines issue de lignine (ou de sucre) avec de nouveaux carbonates cycliques hautement réactifs produits à partir de CO2. Le but final est de donner accès à des polycarbonates sans phosgène ou des polyuréthanes non isocyanates à température ambiante. L'influence de la structure de l'amine/alcool et des conditions de réaction sur la structure du polymère et ses propriétés thermiques sont étudiées. Dans l'optique d’une économie circulaire, une attention particulière est également consacrée à l'exploration des options de fin de vie de certains de ces polymères en étudiant les dégradations chimiques via la solvolyse ou via de nouvelles approches d'édition du squelette des polymères. Ce travail a été financé par le Fonds National de la Recherche Scientifique (F.R.S.-FNRS) et le Fonds Wetenschappelijk Onderzoek – Vlaanderen (FWO) dans le cadre du projet EOS n°O019618F (ID EOS : 30902231).

Among all materials, plastics have become one of the most important products of our daily life. Thanks to their ease of production and processing, low cost and customizable properties, plastics are indeed found in pretty much all sectors with applications, for example, in packaging, automotive, pharmaceutical industries or for electrical and electronical devices. However, they are mainly produced from petroleum and contaminate the environment when not properly recycled, which leads to the environmental disaster that we all know. The utilization of carbon dioxide (CO2) as a substitute to petroleum is expected to limit our dependency to this depleting fossil resource and to avoid to be dramatically affected by the associated geopolitical issues that we are currently facing. CO2 is indeed available at large quantities and low cost, and it might contribute to a more sustainable plastic sector by enabling the on-site production of plastics. To reach this ambitious goal, efficient transformations operating under mild conditions and producing limited waste have to be developed, and end-of-life scenarios of the new polymers have to be considered. In this perspective, the aim of this PhD thesis is to merge innovative CO2 transformations with bio-based molecules to produce functional polymers under mild conditions. This work was carried out in the framework of the Excellence of Science (EoS) “BIOFACT” project that deals with the transformation of lignin into high-value chemicals and polymers, starting with the very challenging selective depolymerization of lignin. My contribution to this project was to develop innovative routes to copolymerize a variety of lignin- (or sugar)-based diols or diamines with novel highly reactive CO2-based cyclic carbonates with the objective to produce non-phosgene-based polycarbonates (with diols) and non-isocyanate-based polyurethanes (with diamines) at room temperature. The influence of the structure of the amine/alcohol and reaction conditions on the polymer structure and its thermal properties was investigated. With the aim of circular economy in mind, special attention was also devoted to the exploration of end-of-life options for the CO2-based polymers by investigating chemical degradations via solvolysis or via novel approaches of polymers skeletal-editing. This work was financed by the Fonds National de la Recherche Scientifique (F.R.S.-FNRS) and the Fonds Wetenschappelijk Onderzoek – Vlaanderen (FWO) in the frame of the EOS project n°O019618F (ID EOS: 30902231).