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Development of zeolite/polymer composites by photopolymerization : 3D printing application
Gao, Yuanyuan (docteur en chimie des matériaux ; 1995-....)
Résumé
Les zéolithes sont largement utilisées pour la séparation des gaz, la purification de l'eau, en catalyse, en biomédicine, dans les domaines de l'optique et de l'électronique grâce à leur structure poreuse unique, leur grande surface spécifique et la présence de sites acides.
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Après leur synthèse, les zéolithes se présentent sous forme de poudre et doivent être mises en forme avant leur utilisation à l’échelle industrielle. Cependant, les approches traditionnelles de mise en forme des zéolithes ne permettent que la production de formes simples comme des billes, des pastilles, des extrudés ou de simples monolithes, qui ne répondent pas bien aux besoins industriels croissants. De plus, les inconvénients de l'utilisation de liants, tels que la réduction de la porosité et de la stabilité thermique, peuvent limiter sérieusement l'efficacité des zéolithes. Par conséquent, l'impression 3D a été utilisée ces dernières années comme une technique polyvalente pour fabriquer des objets zéolithiques de taille, de forme et de complexité variables.Parmi les différentes techniques d'impression 3D, la photopolymérisation a attiré beaucoup d'attention en raison de ses avantages uniques tels que le taux de production élevé, la température de réaction douce, le faible niveau de composés organiques volatils (COV), la faible consommation d'énergie, un excellent contrôle spatial et temporel, etc.L'objectif principal de ce travail de thèse est d'avancer dans le développement de composites zéolithe/polymère structurés ou de monolithes zéolithiques en utilisant la photopolymérisation. La section introduction de cette thèse fournit un aperçu complet et un classement des techniques d'impression 3D pour la fabrication de matériaux poreux structurés tout en précisant leurs diverses applications. Ensuite, nous avons développé des formulations photodurcissables pour les composites zéolithe/polymère et discuté en détail de la sélection des photoamorçeurs et des monomères. Les composites obtenus ont ensuite été soumis à un processus de calcination pour éliminer la partie polymère et libérer la porosité des zéolithes. Les paramètres de calcination ont été étudiés. Ensuite, l'impact des différentes caractéristiques des zéolithes, telles que la taille des particules et leur composition chimique, sur la photopolymérisation a été étudié. Enfin, nous avons également exploré les effets des liants sur l'amélioration des propriétés mécaniques des composites élaborés. Les monolithes calcinés ont été testés pour différentes applications (adsorption de gaz ou capacité d'échange d'ions en milieu aqueux). Ils ont présenté une surface spécifique et une capacité d'adsorption comparables à celles des poudres d'origine et des produits commerciaux, indiquant leur performance prometteuse.Ces études visent à ouvrir de nouvelles possibilités pour l'impression 3D et la mise en forme des zéolithes, avec pour objectif ultime de faire progresser la fabrication d'adsorbants et de catalyseurs zéolithiques structurés..Zeolites are widely applied in gas separation, water purification, catalysis, biomedicine, optics and electronics thanks to their unique porous structure, high surface area and the existence of acid sites. Zeolite are in powder forms after synthesis and must be shaped before industrial use. However, the traditional zeolite shaping approaches mainly produce simple forms like beads, pellets, extrudates or simple monoliths which cannot meet well to the developing industrial needs. Furthermore, the disadvantages of using binders, such as reduced porosity and thermal stability, can severely limit the effectiveness of zeolites. As a result, 3D printing has been employed in recent years as a versatile technique to fabricate zeolitic objects of varying sizes, shapes, and complexities.Among various 3D printing techniques, photopolymerization has drawn a lot of attention for its unique advantages such as high production rate, mild reaction temperature, low level of volatile organic coounds (VOCs), low energy consumption, excellent spatial and temporal control, etc.The main objective of this Ph.D. project is to advance the development of structured zeolite/polymer composites or zeolite monoliths using photopolymerization. The introduction section of this thesis provides an overview and categorization of 3D printing techniques for fabricating structured porous materials and their various applications. Following this, we developed photocurable formulations for zeolite/polymer composites and thoroughly discussed the selection of photoinitiators and monomers. The resulting composites were then subjected to a calcination process to eliminate the polymer part and release the porosity of zeolites, where the calcination parameters were investigated as well. Subsequently, the impact of various zeolite characteristics, such as particle size and chemical composition, on photopolymerization was studied. Finally, we also explored the effects of binders on the improvement of the mechanical properties of the fabricated composites. The calcined zeolite monoliths were tested for different applications (i.e. gas adsorption or ion-exchange capacity in aqueous medium). They had a surface area and adsorption capacity comparable to that of the pristine powder and commercially available products, indicating their promising performance.These studies aim to open up new possibilities for 3D printing and zeolite shaping, with the ultimate goal of advancing the fabrication of structured nanoporous zeolite adsorbents and catalysts.