Metal oxide/Polymer nano-hybrid particles : synthesis and characterization
Nanoparticules hybrides oxydes métalliques/polymères : synthèse et caractérisation
Résumé
The objective of this study is to synthesize and characterize new organic/inorganic hybrid materials obtained by grafting methacrylic polymer through the surface of metal oxide nanoparticles. Commercially available titanium dioxide (TiO2) and zinc oxide (ZnO) nanoparticles were used as raw materials. For a better understanding of parameters which influence the grafting efficiency of polymers, ZnO nanoparticles were synthesized using the precipitation method. The synthetic pathway was optimized to obtain nanoparticles with high surface area and surface hydroxylation. X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) were used to determine the crystal structure, the size and morphology of nanoparticles. A polymerizable silane coupling agent, i.e. 3-(trimethoxysilyl)propylmethacrylate (MPS) was used to modify the surface of nanoparticules to obtain hydrophobic surface containing a polymerizable function. Fourier transform infrared (FTIR), solid-state (13C and 29Si) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopic investigations demonstrated that the silane coupling agent was fully hydrolyzed and linked to the hydroxyl groups already present on the particle surface through covalent and hydrogen bonds. Thermogravimetric data were helpful to quantify the amount of MPS linked to the nanoparticles surface. New poly(methacrylic ester)/ZnO and TiO2 nano-hybrid particles were prepared by in situ RAFT polymerization were prepared using the "grafting through" method. (Meth)acrylic homopolymers and diblock copolymers containing unconventional trialkylsilyl methacrylate (MASi) and methyl methacrylate (MMA) monomer units were grafted through the surface of nanosized particles modified by MPS. Results from FTIR and TGA analyses demonstrated that polymer chains were anchored on the nanoparticles surface. The thermal and thermo-oxidative degradation of methacrylic polymers and hybrid nanoparticles were also investigated by TGA. The effect of the RAFT polymerization on the thermal degradation of polymers was demonstrated. In addition, their apparent activation energy of degradation (Ea) was determined for the first time.
L’objectif de cette étude consiste à synthétiser et caractériser de nouveaux matériaux hybrides organique/inorganique obtenus par greffage de poly(méthacrylate)s d’alkyle sur des nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) et d'oxyde de zinc (ZnO). Afin de mieux comprendre les facteurs influents les réactions mises en jeu lors d'un greffage à partir de la surface d'un oxyde métallique, nous avons choisi de travailler avec des nanoparticules disponibles commercialement et/ou élaborées. Des nanoparticules d’oxyde de zinc, de dimensions allant de 5 à 100 nm, ont été synthétisées par la méthode de précipitation, à température ambiante. La diffractométrie de rayons X (DRX) et la microscopique électronique à transmission (MET) ont permis de déterminer la structure cristalline, les dimensions et la morphologie des particules ainsi préparées. Les conditions de synthèse ont été optimisées afin d'augmenter la surface spécifique des particules tout en favorisant la présence de groupes hydroxyles en surface. La méthode de greffage de polymères méthacryliques a consisté à modifier préalablement la surface des nanoparticules par un agent de couplage réactif de type 3-méthacryloxypropyltriméthoxysilane (MPS). Les nanoparticules ainsi modifiées ont été caractérisées par spectroscopie (IRTF et RMN CP-MAS 13C et 29Si) et par analyse thermogravimétrique afin de confirmer la présence et la quantité de MPS greffé. Cet alcoxysilane, porteur d'une fonction méthacrylate, a permis de greffer des chaînes de poly(méthacrylate de méthyle), de poly(méthacrylate de tert-butyldiméthylsilyle) à partir de la surface des nanoparticules. La polymérisation radicalaire contrôlée par addition-fragmentation réversible (procédé RAFT) a été sélectionnée pour obtenir un contrôle des masses molaires, de faibles indices de polymolécularité et le greffage de copolymères diblocs. L'observation de ces nanoparticules hydrides en microscopie électronique à transmission montre clairement la présence d'une couronne de polymères à la surface des particules. L'étude de la stabilité thermique des nouvelles nanoparticules hybrides à base de ZnO a été réalisée par analyse thermogravimétrique sous atmosphère inerte. L'impact du procédé de polymérisation sur les mécanismes de dégradation thermique des polymères méthacryliques étudiés a été mis en évidence. Pour la première fois, des valeurs d'énergie d'activation ont été calculées sous atmosphère inerte et oxydante.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)
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