Génération de particules de polymères à structure contrôlée par la microfluidique, Polymer particles generation with structures controlled by microfluidics

Alain Marcati

Description

Sous la direction de Christophe Gourdon
Thèse soutenue le 27 novembre 2009: INPT
Ces travaux de recherche s’inscrivent d’une part dans une thématique d’intensification de procédés : la synthèse des particules de polymères est classiquement réalisée en batch en présence de solvants, tensioactifs et agents stabilisateurs. Dans ces conditions, les particules générées ont une distribution de taille assez large. Pour palier à celà, la synthèse des particules est envisagée en continu dans des microcanaux avec l’eau en phase dispersante, sans ajout de tensioactifs et sans traitement de surface des parois du microréacteur. L’utilisation de l’échelle micrométrique va ainsi procurer une très grande régularité aux dispersions générées et empêcher la coalescence des gouttelettes au sein du milieu qui provoque la polydispersité des particules dans les cuves agitées. Nous avons donc développé des outils microfluidiques et étudié l’hydrodynamique dans ces microréacteurs pour obtenir la génération de gouttelettes sphériques afin de synthétiser des billes d’un diamètre inférieur à la centaine de microns par polymérisation directe des gouttes. Ces travaux visent d’autre part, la production de nouveaux matériaux puisque l’objectif était non seulement de produire des particules simples mais d’envisager des structures plus complexes telles que des particules multicouches de type oignon pour lesquelles on pourrait choisir la nature et l’épaisseur de chaque couche. Nous avons donc travaillé sur la manipulation de l’écoulement après polymérisation pour envisager des méthodes d’enrobage des particules coeurs. Enfin nous avons trouvé une nouvelle application liée à la synthèse de particules en microcanaux : la création de colonnes chromatographiques remplies de particules.
-Design de microréacteurs
-Ecoulement liquide-liquide à gouttes
-Billes de polymères
-Manipulation d’écoulement
-Colonne chromatographique remplie
This work is full part of process intensification : polymer particles are usually synthesized in batch reactors with solvents, surfactants and stabilizers. In these conditions, particles are obtained with large size distribution. In order to reduce size distribution, particles synthesis is then studied in a continuous process in microchannels in water, without surfactants nor surface treatment of microreactors’ walls. The micron-size scale provides indeed better control of monomer dispersion and prevents droplets coalescence which is the major reason of polydispersity in stirred tank reactors.That is why we have developped microfluidic tools and studied hydrodynamics and droplet generation into microreactors in order to synthetize polymer beads smaller than a hundred microns by direct polymerization of spherical droplets. This work also deals with new material creaction : the objective was also to produce onion-like structures for whom we could choose each layer chemical nature and thickness. We have then analysed manipulation of partciles flow to determine ways of encapsulating core particles. Finally, we also developped a new application related to polymer beads into microchannels : the creation of micropacked chromatography columns
-Microreactor design
-Liquid-liquid drop flow
-Polymer beads
-Flow manipulation
-Micropacked column
Source: http://www.theses.fr/2009INPT033G/document

Informations

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Extrait

THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE


Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Génie des Procédés et de l’Environnement



Présentée et soutenue par Alain MARCATI
Le 27 Novembre 2009

Génération de particules de polymères à structure
contrôlée par la microfluidique

JURY

M. Philippe SERP Président du Jury
M. Albert RENKEN Rapporteur
M. Joseph LIETO
M. Christophe GOURDON Directeur de Thèse
M. Laurent PRAT Codirecteur de Thèse
M. Christophe SERRA Codirecteur de Thèse
Mme Josiane TASSELLI Membre invité



Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil Et Procédés (MEGEP)

Unité de recherche : Laboratoire de Génie Chimique (LGC), Toulouse
Laboratoire d’Ingéniérie des Polymères pour les Hautes Technologies (LIPHT), Strasbourg

Directeurs de Thèse : Christophe GOURDON, Laurent PRAT, Christophe SERRA
REMERCIEMENTS


Ces trois année de thèse m’ont beaucoup apporté professionnellement tout d’abord puisqu’elles ont
complété ma formation par la découverte de nouveaux domaines pour moi tels que les polymères et la
microfludique ; humainement ensuite puisque j’ai eu l’occasion de cotôyer de nombreuses personnes
d’horizon divers dans mes deux laboratoires d’accueil et enfin personnellement car j’y ai beaucoup
appris sur moi et developpé des ressources que je ne soupçonnais pas.


Je tiens donc à remercier en tout premier lieu les deux instigateurs du projet dans lequel s’est inscrite
cette thèse dans laquelle je me suis épanoui :
Merci à Laurent Prat qui m’a offert une grande liberté au cours du projet mais qui par sa
disponibilité, ses conseils et son esprit d’innovation m’a plus qu’aidé et guidé pour la réussite et
l’avancée du projet. Merci à Chistophe Serra qui m’a toujours très bien accueilli à Strasbourg et s’est
montré toujours disponible pour commenter et analyser les résultats de mes travaux.


Je souhaite également remercier les autres membres de mon jury :
Merci à Christophe Gourdon, mon directeur de thèse, de m’avoir accueilli au sein de l’équipe et
d’avoir prodigué bons conseils et encouragements. Je remercie Philippe Serp d’avoir accepté de
présider mon jury et pour les commentaires pertinents sur mes travaux mais aussi Albert Renken et
Joseph Lieto, mes rapporteurs, pour le temps que vous avez passé à examiner mes travaux et les
commentaires apportés pour valoriser mes travaux et en élargir les prospectives. Je terminerai par
Josiane Tasselli que je remercie pour son aide apportée pour la correction du manuscrit et la
fabrication des puces en silicium-verre qui m’ont fait débuter mon aventure microfluidique.
J’en profite pour remercier les personnes au LAAS qui ont contribué directement ou indirectement à la
fabrication de ces puces notamment ceux que j’ai pu cotôyé au sein de l’équipe de foot à 7.


Je tiens à remercier l’ensemble du personnel du LIPHT.
Je ne connais malheureusement pas tout le monde car mes séjours à Strasbourg n’ont été que brefs à
cause de l’avancée du projet. Je remercie en particulier, Catherine, Chheng et Sébastien pour l’appui
logisitique, Anne et Zhenqi pour m’avoir bien aidé dans le labo de micro et Florence, Marie et Maria
pour m’avoir supporté dans le bureau pendant ma venue, je remercie également tous les autres
doctorants qui font régner une bonne humeur et une bonne ambiance de travail au sein du laboratoire.


Je remercie également l’ensemble du personnel du LGC.
Et en particulier, je tiens à remercier l’équipe Green Process Engineering pour leur accueil et la joie et
la bonne humeur des réunions d’équipe : Marie Morère, Jean-François Blanco, Sébastien Elgue,
Michel Cabassud, Philippe Destrac, Jean-Stéphane Condoret, Séverine Camy, Nadine Gabas, Jean-
Paul Canselier, Yolande Peres Lucchese… merci tout particulièrement à David Riboul pour les
colonnes CPG remplies, à Richard Guilet pour l’apprentissage des TP à l’IUT et Karine Loubière pour
l’appui en salle micro. Merci également à Joelle Aubin pour le coup de main pour les simulations et
tes commentaires très utiles sur mes travaux et Sebastien Teychené pour mon envahissement de sa
salle et les discussions autour du micro.

Je remercie le personnel administratif du laboratoire, la direction Joel Bertrand, Pierre Aimar et
Patricia Uliana qui sont toujours très diponibles vis-à-vis des doctorants et ont toujours soutenu les
initiatives de l’association des doctorants. Un grand merci à Claudine Lorenzon, Jean-Luc Labeyrie et
à Maria Escobar Munoz que j’ai beaucoup embetés pour les commandes, les comptes et les
déplacements. Merci à Danièle Bouscary toujours souriante pour tous les coups de main et à Christine
Taurines pour les stagiaires. J’en profite pour saluer leur contribution à mes travaux : merci à Philippa,
Tanarat, Swann et Kevin. Je remercie également le personnel technique du laboratoire qui nous aide
non seulement sur nos projets mais apporte aussi de la bonne humeur au sein du laboratoire. Un merci
tout particulier à Alain Pontier pour avoir collaborer avec moi sur toute la fabrication et les outils
microfluidiques, merci à Alain Müller, Vincent et Rafik pour la découpe et la préparation des
plaquettes de Plexi, à Alain Philippe de m’avoir enfermé plus d’une fois dans le laboratoire, à Marie-
Line pour les analyses au MEB, Frank pour la caisse à outils, Ignace, Lahcen, Alec et tous les autres
pour leur soutien.

Enfin grâce aux doctorants du laboratoire, il règne vraiment une très bonne ambiance de travail avec
un soutien et une entraide constante. Donc je remercie en premier lieu mon cobureau Nicolas que j’ai
découvert pendant ces trois ans, mes deux chères collègues Laurène et Raluca qui ont rajouté une
touche féminine à ce bureau masculin et contribué à la bonne humeur du bureau mais aussi les autres
doctorants de l’équipe pour leur soutien surtout vers la fin : Zoé, Carole, Fahima, Mathieu, Céline,
Pablo, Petko, Emeline mais aussi la famille de la microfluidique : ma grande sœur Nathalie et mon
grand frère Norbert, mon petit frère Romain et ma petite sœur Miruna. Je remercie également mes
camarades de l’association des doctorants où j’espère avoir bien rempli mon rôle: Julien, Julie, Nicolas
et Lynda. Je n’oublierais pas la guile de la pause café : Nicolas (x2), Baptiste, Aras, Youen et les
footeux Ouat, Huberson, Ilyes, Edgar entre autres. Un bon courage à ceux qui comme moi ont fini et
une franche réussite à ceux qui y sont encore au cœur de leur thèse. Je terminerais par les anciens que
j’ai toujours plaisir à côtoyer : Nath, Rachel, Cecile, Mouna, Greg…


En dehors des laboratoires, je souhaiterais témoigner de ma gratitude envers tous mes amis des classes
préparatoires qui n’ont pas toujours compris mon choix de faire une thèse mais qui m’ont toujours
soutenu et mes amis de l’A7 qui sont toujours d’un franc appui quelque soit les circonstances avec
mes félicitations et mes remerciements tous particuliers à mes collègues qui m’ont suivi dans la thèse :
Yo, Stef et Seb.



Enfin, je souhaite terminer ces remerciements par les membres de ma famille qui m’ont toujours
encouragé quels que soient mes choix depuis tout petit : Maman, je te dois beaucoup et tout l’amour
que tu m’as apporté m’a toujours aidé à aller de l’avant. Papa, tu m’as toujours dit d’aller là où tu n’as
pu arriver, c’est désormais chose faite et j’espère que tu en es aussi fier que moi. Nonna et Zia Gerva,
grazie del sostegno e di aver fatto tutta questa strada. Parrain, tu as toujours suivi mes études depuis
tout petit et ca m’a fait grand plaisir que tu sois là le jour de ma soutenance. Je remercie également
tous mes cousins, cousines pour leur soutien et mes anges gardiens Papy, Mamie et Nonno qui de là où
ils sont, j’en suis sur me regardent heureux et me pro