Domaine d’application des PES

Les polyéthersulfones (PES) et polyétheréthersulfones (PEES), avec un éther de plus

(Tableau 1.1), sont des polymères qui suscitent un grand intérêt dans la fabrication de

dispositifs de haute technologie non seulement du fait de leur haute performance thermique, chimique et radiative6,28,29 _{mais également de la possibilité pour le}

8

adapter à des besoins particuliers. Les dispositifs constitués par ces matériaux ont un excellent comportement mécanique face aux températures élevées, ils sont également très résistants aux chocs, au feu et à l’hydrolyse.30-32 _{La principale application de ces}

polymères réside dans la fabrication de membranes pour la filtration. Les polyéthersulfones sont d’excellents candidats pour la fabrication de membranes pour la microfiltration ou l’ultrafiltration car :33,34

- ils permettent d’avoir une grande sélectivité de la membrane (taux de rejet élevé) et une bonne distribution de la taille des pores ;

- ils sont très résistants à l’oxydation par les désinfectants tels que les peroxydes ou l'hypochlorite souvent nécessaires pour le nettoyage des membranes après utilisation ;

- ils présentent un excellent comportement thermique, résistant jusqu’à 400 °C, avec des températures de transition vitreuse qui atteignent les 200 °C4 _{due à la rigidité}

intrinsèque de la chaîne (présence de noyaux aromatiques)3,4,35 _{et peuvent être}

utilisés sur un large domaine de pH ;

- ils possèdent des propriétés mécaniques intéressantes qui permettent de résister aux gradients de pression utilisés comme force motrice de transfert lors des opérations de filtration.

Les premières membranes à base de PES ont été obtenues avec le polysulfone (PSF) au cours des années 1960 pour une alternative aux membranes cellulosiques dans des procédés de séparation, en raison de leur résistance très élevée dans des conditions extrêmes de pH et une bonne stabilité thermique.36 _{De nos jours, les applications}

existantes se situent principalement dans la fabrication de membranes pour des filtres de seringue utilisés pour la filtration de solutions à l’échelle du laboratoire ou bien pour des applications dans le domaine industriel pour des membranes à fibres creuses. Dans l’industrie laitière, par exemple, ces membranes ont permis de valoriser le coproduit majeur dans la fabrication du fromage, le lactosérum communément appelé petit lait (Figure 1.1). Le lactosérum a été considéré pendant longtemps comme

9

déchet dans l’industrie fromagère, mais aujourd’hui, grâce à ces membranes, il est possible de le fractionner en plusieurs constituants individuels de haute qualité nutritive (concentrés de protéines, isolats de protéines, …).

Figure 1.1 : Filtration du lait caillé pour la production du fromage

(adapté à partir de la page web du Comité de défense du véritable camembert, http://veritable.camembert.free.fr/pages/Lait_traitements.htm, consultée le 17 janvier 2016)

On se sert également de ces membranes de PES pour la production industrielle d’eau potable, à travers un procédé sûr, efficace et rapide pour l'élimination des particules, de la turbidité et des micro-organismes présents dans l'eau.

Les deux niveaux de filtration membranaire les plus utilisés pour les PES sont la microfiltration et l’ultrafiltration.1,37,38

La microfiltration, pour laquelle la taille des pores de la membrane est de l’ordre du micromètre et se situant généralement entre 0,1 à 10 μm, permet d’éliminer les matières en suspension et de faire l’épuration bactérienne.

L’ultrafiltration, avec une taille des pores de la membrane variant de 1 à 100 nm, en plus de l’épuration bactérienne, permet d’éliminer les virus.

10

D’autre part, il est possible de moduler les propriétés de ces polymères pour les adapter à une application bien définie en greffant certains groupements sur la chaîne polymère.7,14 _{Les polyéthersulfones dont des groupements sulfones sont rajoutés sur}

les cycles aromatiques sont utilisés comme membranes échangeuses d’ions dans les piles à combustible pour des applications dans le domaine du transport (véhicules, camions, autobus et locomotives) et l'électronique.39,40

Du fait de la résistance de ces matériaux à l’eau et à la vapeur, ils sont utilisés pour fabriquer des ustensiles de cuisson et du matériel médical (nébuliseurs et composants de dialyse).1 _{Ils ont aussi des applications dans le domaine nucléaire, des}

télécommunications, des pièces automobiles ou aérospatiales pour l’isolation de câbles.14

1.3.1 Filtration membranaire

Une membrane de filtration est un matériau à perméabilité sélective qui permet de séparer des particules en solution en fonction de leur taille sous l'action d'une force motrice, le but étant de purifier un liquide ou de fractionner ou concentrer des particules. Les particules retenues au niveau de la surface de la membrane forment le rétentat tandis que celles qui la traversent représentent le perméat (Figure 1.2).

11

Il existe deux modes de filtration, les filtrations frontale et tangentielle, que l’on différencie selon l’orientation du flux d’alimentation.

En mode frontal (filtration la plus connue), le flux d’alimentation est perpendiculaire à la membrane alors que dans le cas d’une filtration tangentielle, le flux arrive parallèlement à la membrane. La tangentielle permet un colmatage moins rapide, mais elle est généralement réservée à la filtration de très petites particules.

La majorité des membranes polymères poreuses commercialisées sont élaborées via un procédé de séparation de phases. La séparation de phases (également appelée inversion de phase ou démixtion) résulte d'un changement d'état thermodynamique d'une solution de polymère initialement homogène. Le changement d'état thermodynamique peut être induit par différentes méthodes :42

- variation de la température ;

- intrusion d'un non-solvant dans une solution binaire polymère/solvant.

Tous les processus de séparation de phases sont basés sur les mêmes principes thermodynamiques. Dans tous les cas, le point de départ est une solution thermodynamiquement stable soumise ensuite à des conditions entraînant une démixtion telle qu'un abaissement de température ou l'intrusion d'un non-solvant. L'inversion de phase induit la création de deux phases : une phase pauvre et une phase riche en polymère qui croissent suivant des mécanismes de nucléation- croissance pour former l'architecture membranaire.42 _{Après démixtion liquide-liquide,}

la phase riche en polymère se solidifie et constitue alors la matrice membranaire. La phase pauvre est éliminée par des lavages successifs et laisse place aux pores de la membrane.