Références 1 P.-G. de Gennes, Scaling Concepts In Polymer Physics, Cornell University Press (1979). 2 P.-G. de Gennes, «Dynamics of fluctuations and spinodal decomposition in polymer blends», J. Chem. Phys., 72 (1980) 4756. 3 G. Jannink et P.-G. de Gennes, «Quasielastic scattering by semidilute polymer solutions», J. Chem. Phys., 48 (1968) 2260. 4 P.-G. de Gennes, «Mechanical properties of polymer interfaces», dans Physics of Polymer Surfaces and Interfaces,pp. 55-71, I.C. Sanchez (ed.), Butterworth- Heinemann, Boston (1992). 5 P.-G. de Gennes, «Solvent evaporation of spin cast films : ‘crust’effects», Eur. Phys. J. E, 7 (2002) 31. En science des matériaux, une membrane est définie comme une barrière sélective qui, sous l’effet d’un gradient de potentiel chimique, permet le passage ou l’arrêt de certains composants entre les deux milieux qu’elle sépare. Parmi les différents types de membranes, celles constituées de polymères ont de nombreuses applications industrielles, en raison de leur faible coût de production et de leur facilité de traitement par rapport aux matériaux inorganiques. Air Liquide conçoit et fabrique des modules de membranes polymères composées de fibres creuses asymétriques, ayant une première couche optimisée pour le support de la couche active et la résistance mécanique, et une couche fine externe supportée par la première et optimisée pour les propriétés de séparation. Un module contient environ un million de fibres creuses individuelles, qui sont installées dans des configurations géométriques permettant de répondre à des contraintes de perte de charge et de performance de la séparation envisagée. À l’échelle industrielle, la fabrication de membranes se fait traditionnellement par des itérations d’essais et d’erreurs, les paramètres de fonctionnement étant ajustés progressivement et empiriquement. La formalisation des mécanismes de formation de la membrane à travers des modèles systémiques est à la base de l’innovation dans la technologie de fabrication de membranes polymères. Dans ce contexte, les travaux de Pierre-Gilles de Gennes dans le domaine de la physico-chimie des polymères [1-3] constituent les fondements théoriques pour l’identification de paramètres importants, permettant ainsi de rationaliser le développement de membranes plus performantes. Le potentiel des matériaux polymères peut être pleinement utilisé lorsqu’ils sont transformés en structures de fibres creuses, optimisant à la fois les performances de la séparation et la durée de vie du module membranaire. La fabrication des fibres creuses est obtenue par un procédé continu d’extrusion, suivi du processus de démixtion polymère/solvant/non-solvant induisant la formation d’une phase dense riche en polymère formant la couche de membrane active supportée autour d’une phase très diluée en polymère ayant une structure poreuse ouverte. La morphologie des membranes obtenues est liée aux caractéristiques rhéologiques et au comportement en phase des solutions de polymères pendant le filage. La séparation de phase des solutions polymères ou des polymères et des solvants est à l’origine des procédés TIPS (« séparation de phase induite par la température ») et SIPS (« séparation de phase induite par le solvant ») Dossier « De Gennes et l’innovation » De la physico-chimie des polymères aux membranes pour la séparation des gaz Solvant Filière Solutions de polymère Fibre creuse Bain de coagulation Bobine de fibres creuses Module membranaire de fibres creuses ù Schéma de fabrication d'une membrane composée de fibres creuses, par la co-extrusion/coagulation d’un solvant de coagulation dans la partie centrale et de deux solutions de polymères au travers d’une filière annulaire. utilisés pour fabriquer les membranes, comme représenté schématiquement sur la figure ci-dessus. Le principe consiste à préparer les mélanges dans la région du diagramme de phase où il y a miscibilité totale, puis à provoquer la séparation de phase dans la région de décomposition spinodale du mélange polymère/solvant en changeant soit la température, soit la qualité du solvant. Bien que l’énergie libre du mélange dans le formalisme Flory-Huggins-de Gennes puisse être utilisée comme une bonne ligne directrice pour formuler la décomposition spinodale dans le cadre de la thermodynamique d’équilibre, elle ne permet pas de prédire la dynamique du changement. P.-G. de Gennes a étendu l’étude de la dynamique de la décomposition spinodale aux mélanges de polymères [2] pour lesquels existe une variété d’échelles de longueur qui sont importantes, avec une dépendance en mobilité de la longueur d’onde des fluctuations dans le mélange de polymères. La dynamique de la séparation de phase est étroitement liée à la morphologie de la membrane résultante, et la compréhension des paramètres contrôlant la structure poreuse est un des axes d’amélioration des performances des membranes en forme de fibres creuses. Un deuxième axe d’amélioration consiste en la modulation contrôlée de la perméabilité de la membrane en introduisant dans la couche externe de polymère des charges inorganiques dispersées, dont l’effet principal est la modification de la distribution du volume libre dans les interfaces particules inorganiques-chaine de polymères, comme décrit dans les modèles développés par Pierre-Gilles de Gennes [4-5]. ❚ Pluton Pullumbi (pluton.pullumbi@airliquide.com) Air Liquide, Centre de Recherche Paris-Saclay, BP 126, Les Loges-en-Josas, 78354 Jouy-en-Josas Cedex Reflets de la Physique n°56 15