Assemblages thermostimulables de nanocristaux de cellulose décorés de chaînes de polymère

par Firas Azzam

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Jean-Luc Putaux.

Soutenue le 05-12-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....) , en partenariat avec Centre de Recherche sur les Macromolécules Végétales (équipe de recherche) .

Le président du jury était Naceur Belgacem.

Le jury était composé de Jean-Luc Putaux, Bernard Cathala, Bruno Jean.

Les rapporteurs étaient Elodie Bourgeat-lami, Christophe Chassenieux.

mots clés

• Nanocristaux de cellulose
• Polymère thermosensible
• Phase chirale nématique
• Oxydation TEMPO
• Couplage peptidique
• Oxydation au métaperiodate
• Polymères

Résumé

Les nanocristaux de cellulose (NCC), obtenus par hydrolyse acide des microfibrilles de cellulose native sous forme de suspensions colloïdales aqueuses, sont des nanoparticules biosourcées ayant des propriétés mécaniques et optiques particulièrement séduisantes pour la conception de nanomatériaux à haute performance. Pour éliminer certaines de leurs limitations comme la sensibilité au sel et l'absence de contrôle de leurs interactions, nous nous sommes attachés au cours de ce travail à modifier chimiquement ces NCC par greffage de chaînes de polymère thermosensible de la famille de polyétheramines Jeffamine® sur leur surface. La première méthode de greffage utilisée faisait appel à une oxydation TEMPO suivie d'un couplage peptidique. Après l'optimisation de la réaction de greffage, les nouveaux systèmes (NCC-g-Jeffamine) ont été caractérisés et de nouvelles propriétés ont été identifiées notamment leur insensibilité au sel, leur capacité de redispersion dans des solvants organiques, leur caractère tensioactif, leur stabilité thermique améliorée ainsi que leur thermoagrégation réversible. L'étude structurale par diffusion des neutrons aux petits angles a permis d'avoir des informations sur les épaisseurs des couches de polymère greffé ainsi que sur la conformation des chaînes. De nouvelles caractéristiques de l'auto-organisation en phase chirale-nématique de ces nouveaux systèmes ont été notées concernant leur diagramme de phase et leur pas cholestériques. La deuxième méthode de greffage explorée consistait en une oxydation aux ions métapériodate suivie d'une amination réductrice. Les résultats ont montré un détachement partiel des chaînes de cellulose suite à l'oxydation puis leur détachement complet après le greffage du polymère pour obtenir des copolymères cellulose-Jeffamine ayant éventuellement des propriétés intéressantes à étudier.

mots clés

• Cellulose nanocrystals
• Thermoresponsive polymer
• Chiral nematic phase
• Peptidic coupling
• TEMPO oxidation
• Metaperiodate oxidation

Titre traduit

thermoresponsive assembly of polymer-grafted cellulose nanocrystals

Résumé

Cellulose nanocrystals (CNC), obtained by acid hydrolysis of native cellulose microfibrils as colloidal aquous suspensions, are bioresourced nanoparticles that have great mechanical and optical properties well adapted for the conception of new nanomaterials with high performance. In order to eliminate some of their limitations like sensitivity to salt and absence of interactions control, we studied in this work the chemical modification of these CNC by grafting thermoresponsive polymer chains (polyetheramines Jeffamine®) on the their surface. A first grafting strategy used was a TEMPO oxidation followed by peptidic coupling. After the optimization of the grafting reaction, the new systems (CNC-g-Jeffamine) were characterized and new properties were identified particularly their insensitivity to salts, their ability to be redispersed in organic solvents, their surfactant character, their enhanced thermal stability and their reversible thermoagregation. The structural study using small angles neutrons scattering gave us information about thicknesses of the polymer corona and the chains conformation. New characteristics of their self-assembly into chiral-nematic phases were noticed more particularly concerning phase diagrams and cholesteric pitches. The second grafting strategy consisted in an oxidation using periodate ion followed by reductive amination. Results showed a partial detachment of cellulose chains after oxidation. A complete detachment was observed after grafting the polymer chains to finally obtain cellulose-Jeffamine copolymers which could have interesting properties to study.