Synthèse de polymères thermoplastiques énergétiques riches en azote

La recherche effectuée dans l'élaboration de nouveaux polymères utilisables dans des systèmes de propulsion n'est pas récente: plusieurs nouveaux polymères ont été synthétisés dans les années 1950 et 1960, dans le but de propulser plus efficacement des fusées vers l'espace. Ces polymères sont encore très utilisés mais ils font aujourd'hui de plus en plus place à de nouveaux polymères thermodurcissables, eux-même énergétiques, dont l'ajout à des systèmes de propulsion en augmente la performance. Ces nouveaux polymères, dont des polyéthers énergétiques, présentent toutefois certains désavantages au niveau de leur mise en forme et de certaines de leurs propriétés mécaniques. Le développement de polymères énergétiques thermoplastiques offrant des propriétés ciblées pourrait donc répondre aux besoins relatifs à la mise à jour des propulsifs modernes. Les propriétés ciblées sont surtout l'insensibilité des composés, leur compatibilité chimiques avec les composés “classiques” (ex: nitrocellulose), leurs propriétés de combustion et leur impact environnemental (Akhavan, 2011). Ces propriétés pourraient facilement être contrôlées à l'aide de la composition chimique des polymères utilisés. Les approches adoptées par ce projet dans la synthèse de nouveaux thermoplastiques énergétiques sont inspirées de travaux récents ayant mené à l'obtention de nouveaux composés énergétiques riches en azote (Sproll, 2009; Gao and Shreeve, 2011; Klapötke and Sabaté, 2008). Des méthodes récentes, dont la cyclisation de tétrazoles à partir de nitriles organiques ou la cycloaddition 1,3-dipolaire d'azotures et d'alcynes, ont permis d'obtenir de nouveaux polymères énergétiques fonctionnels. De ces nouveaux polymères, plusieurs copolymères de poly(5-vinyltétrazole) (PVT) et d'esters itaconiques ont été synthésisés, de même que plusieurs nouveaux polyélectrolytes de poly[5-vinyltétrazol(ium/ate)] et certains nouveaux polymères de cycloaddition de triazoles (TCP), à partir d'esters maloniques. Certaines synthèses se sont toutefois soldées par des échecs, comme la polycondensation de bistétrazoles et la cyclisation-azoturation de fibres modacryliques. La composition des esters maloniques et itaconiques produits (monomères des polymères de cycloaddition) a été vérifiée par FTIR, celles de plusieurs polymères d'addition d'acrylonitrile et des polyélectrolytes ont été déterminées par analyse élémentaire. Des tests de calorimétrie différentielle, effectués sur les polymères obtenus, confirment la présence de fonctions énergétiques, avec des valeurs d'énergie de décomposition très élevées pour certains polymères (surtout des polyélectrolytes obtenus). Certains polymères, dont des polyélectrolytes et des polymères de cycloaddition, démontrent un comportement thermoplastique particulièrement v intéressant: ceux-ci pourraient facilement être considérés comme polymères énergétiques liants, à condition d'être compatibles avec d'autres composants énergétiques. Des essais de mise en forme des polyélectrolytes ont aussi été réalisés: des mousses de polyélectrolytes énergétiques ont facilement été obtenues avec des taux de gonflement très importants, en utilisant l'azoisobutyronitrile comme agent gonflant. Ces mousses ont aussi été soumises à des tests d'analyse mécanique dynamique pour évaluer leur comportement mécanique à diverses températures. Les températures de transition vitreuse mesurées pour celles-ci varient en fonction des fractions d'électrolytes utilisés et les résultats suggèrent que plusieurs mélanges pourraient démontrer d'excellentes propriétés mécaniques au travers de la plage de température visée (-30C à 65) dans l'optique de les utiliser comme générateurs de gaz. Suite à la synthèse de ces nouveaux polymères, les résultats du projet de recherche nous amènent à recommander d'optimiser certains paramètres de synthèse, surtout au niveau de l'estérification d'acides ou de la polymérisation par étapes, et à caractériser en détail les propriétés manquantes des polymères les plus prometteurs dans le but d'en effectuer une mise à l'échelle vers leur application au format pilote.