Synthèse de revêtements hybrides organique-inorganique par photopolymérisation sol-gel

Synthesis of organic-inorganic hybrid coatings via sol-gel photopolymerization

• Auteur / Autrice : Cindy Belon
• Direction : Céline Croutxé Barghorn
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 28/09/2010
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale pluridisciplinaire Jean-Henri Lambert, ED 494 (Mulhouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux hybrides

Sol-gel, Procédé

Mots clés libres

Photopolymérisation

Sol-gel

Nanocomposite

Hybride

Propriétés structurales

Propriétés thermo-mécaniques

Photopolymerization

Sol-gel

Nanocomposite

Hybrid

Structural properties

Thermo-mechanical properties

Résumé

L'objectif de cette thèse a été de démontrer la pertinence du procédé sol-gel photoinduit pour la synthèse de films nanocomposites originaux à partir de précurseurs hybrides mono- et bis-silylés. Bien que mentionné dans la littérature, ce procédé basé sur une catalyse via des super-acides de Bronsted créés par la photolyse d'un photogénérateur d'acides reste à ce jour très marginal. Selon la nature des précurseurs mis en oeuvre, la photopolymérisation sol-gel a parfois été combinée à une photopolymérisation organique pour mener à l'obtention en une seule étape de réseaux hybrides organique-inorganique. Au cours de ces travaux, l'accent a tout d'abord été mis sur la caractérisation structurale des matériaux synthétisés. Pour cela, des mesures par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, résonance magnétique nucléaire du 29Si et du 13C en phase solide et diffraction des rayons X ont été réalisées. Ces études ont permis de révéler les nombreux avantages liés à la voie photochimique tels que la forte réactivité, le caractère vivant de la réaction, l'absence d'eau ou de solvant et l'obtention de matériaux organisés à l'échelle locale. Enfin, l'originalité de cette étude a également résidé dans la mise en œuvre de nombreuses techniques de caractérisation thermo-mécanique des films : analyse mécanique dynamique, calorimétrie différentielle à balayage, nanoindentation, tribologie et tests de résistance à la rayure. L'influence de la nature chimique de la fonctionnalité organique du précurseur employé a ainsi pu être soulignée et des corrélations entre microstructure et propriétés finales des matériaux photopolymérisés ont été établies.

The present work questioned the interest of sol-gel photopolymerization as a novel route to synthesize nanocomposite films from hybrid mono- and bis-silylated precursors. The potentialities of this process that is based on a catalysis promoted by photogenerated Bronsted superacids have been poorly investigated so far. Depending on the precursor nature, the sol-gel photopolymerization was possibly combined with an organic photopolymerization in a view to generate the dual crosslinking of the organic and inorganic networks in a single step. A first aspect of this work concemed the structural properties of the hybrid films: Fourier transformed IR spectroscopy, 29Si and 13C solid state Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy and X-rays analysis were thus implemented. These experiments highlighted the numerous advantages of the photoinduced sol-gel process: its high reactivity, its living character, the absence of water or solvent and the local organization in the resulting films. Finally, the thermo-mechanical properties of the UV­ cured materials were assessed by using a wide range of characterization techniques: dynamic mechanical analysis, differentia!scanning calorimetry, nanoindentation, tribological and scratch tests. The effect of the organic moiety functionality of the precursors was thus evidenced and relationships between microstructure and properties ofthe hybrid films were established.