Problématique

Les polyéthersulfones sont utilisés dans plusieurs domaines, cependant l’obtention de voies de synthèse permettant un meilleur contrôle de leur masse moléculaire, leur morphologie et leurs propriétés thermiques reste toujours un défi pour les chercheurs.

12

La polycondensation par substitution nucléophile aromatique est la principale méthode utilisée pour la synthèse des PES. Cette polycondensation est effectuée en système ouvert en déplaçant l'équilibre de la réaction par élimination de la petite molécule formée lors de la réaction. Cette élimination devient de plus en plus difficile au fur et à mesure que la réaction avance du fait de la vitesse de diffusion de ces petites molécules, ce qui rend peu probable les possibilités de contrôle de la masse molaire. Ce type de polymérisation ne permet pas, non plus, de contrôler la morphologie et les propriétés thermiques. Le contrôle de ces paramètres pourrait jouer un rôle déterminant dans l’amélioration des propriétés pour des applications déjà existantes, mais pourrait aussi permettre de répondre à des besoins additionnels, notamment la modulation des propriétés séparatrices des membranes.

La principale application des PES se situe dans la fabrication de membranes, cependant leur utilisation comme membranes est souvent limitée par leur caractère hydrophobe qui, par l’adsorption de particules au niveau de la surface, entraîne un encrassement de la membrane conduisant ainsi au colmatage.28,43 _{Le colmatage}

résulte de l’accumulation des substances filtrées au niveau de la surface de la membrane ou à l’intérieur des pores et, entraîne une perte des performances des membranes. Les causes du colmatage des membranes à base de PES peuvent provenir de trois origines principales :44

- Le colmatage par adsorption : Il provient de la fixation de particules au niveau de la surface de la membrane et résulte en général des interactions entre les molécules notamment les protéines que contiennent les liquides filtrés et les surfaces hydrophobes de la membrane. Le degré d'adsorption dépend du type d'interaction tel que les liaisons hydrogène, les interactions dipolaires, les interactions de van der Waals, et les effets électrostatiques.45 _{Cependant, il a été}

rapporté que les interactions hydrophobes sont le principal facteur renforçant l'adsorption des protéines sur la surface des membranes à base de polyéthersulfone.46 _{Quand une molécule de protéine est en contact avec la surface}

d’une membrane hydrophobe, les molécules d'eau liées à la protéine vont se déplacer du fait des interactions hydrophobes. Ceci provoque une rupture de la

13

liaison entre la protéine et les molécules d’eau, induisant des changements de conformation dans la structure de la protéine, ce qui se traduit par une adsorption irréversible de la protéine sur la surface de la membrane.47,48

- La capture de particules : Elle intervient lors de la filtration uniquement et se caractérise par le blocage de particules dans les pores de la membrane par effet stérique sous l’effet de la force motrice.49

- La création de biofilms : Elle intervient lorsque des bactéries se développent à la surface de la membrane sous l’effet de conditions favorables à leur développement (température notamment), et en particulier dans les zones de faibles convections. Les bactéries sécrètent des exopolymères qui forment un film peu perméable recouvrant la surface de la membrane.

Des observations réalisées par le groupe de Qilin Li50 _{au microscope électronique à}

balayage (MEB) ont permis de mettre en évidence la présence d’un agrégat de particules à la surface de la membrane après ajout de particules organiques dans les solutions filtrées (Figure 1.3). Ce dépôt de matières organiques, adhérant au matériau membranaire, induit des chutes importantes du flux de perméation et, en raison de leur croissance, il est difficile de les éliminer par la suite. Un rétrolavage à l’eau seulement n’est plus suffisante pour retrouver la perméabilité optimale de la membrane. Un nettoyage chimique est donc nécessaire. Par exemple, la soude caustique associée à de l’hypochlorite de sodium (NaClO/NaOH) permet de solubiliser la matière organique composée de groupement phénol ou carboxyle et dégrader les polysaccharides et protéines en sucres et composés aminés plus petits.51,52 _{Les lavages acides permettent d’éliminer des espèces cationiques.}53

L’impact des lavages chimiques sur l’intégrité membranaire est encore peu étudié, cependant il a été montré qu’à long terme ces lavages chimiques peuvent entraîner une modification du matériau membranaire et aggraver le colmatage.54

14

Figure 1.3 : Images MEB en coupe plane (a) et transversale (b) d’une membrane

colmatée (agrégat de particules encerclé en vert) 50

Pour réduire cet effet, il est rapporté dans la littérature qu’il faudrait augmenter l’hydrophilicité de ces polymères pour améliorer les propriétés anti-adsorbantes des membranes, ce qui limitera considérable le colmatage et ainsi maintenir les performances de la membrane.48,55,56

Il est également rapporté que les membranes hydrophiles sont plus faciles à nettoyer que les membranes hydrophobes car l’adsorption devient faible et donc facile à enlever.

Une des stratégies visant à améliorer l'hydrophilicité de ces polymères est de les mélanger avec d’autres polymères hydrophiles comme les polyéthylènes glycols (PEG), mais cette méthode a des limites car à un certain rapport massique, la solution de polymère devient hétérogène conduisant à la séparation de phases lors de la fabrication de la membrane. Le groupe de Mohammadi57 _{a montré qu’en mélangeant}

le PES avec le polyacrylonitrile (PAN) dans un rapport massique de 70/30, il apparaît deux couches au niveau de la membrane vue au microscope électronique à balayage (MEB) due à la séparation de phase lors de sa fabrication (Figure 1.4). Cette séparation modifie considérablement la structure de la membrane, comparée à celle du PES.

Coupe plane Coupe transversale

15

Figure 1.4 : Images MEB d’une coupe transversale d’une membrane de PES seul (a)

et d’un mélange PES/PAN dans un rapport massique 70/30 (d), telles que publiées par Amirilargani et al.57

Pour les piles à combustible, le rajout des groupements sulfones sur les noyaux aromatiques pose souvent un problème de stabilité. Zhang et al.40 _{ont rapporté qu’il}

est généralement considéré que les polymères avec des groupes acides sulfoniques pendants ou des chaînes latérales sont plus stables à l'hydrolyse que ceux avec des groupes acides sulfoniques directement connectés sur le squelette des polymères.