Structures et propriétés rhéologiques d’hydrogels à dynamique contrôlée obtenus par l’auto-assemblage de copolymères à blocs amphiphiles

Structures and rheological properties of hydrogels presenting a controlled dynamic obtained by the self-assembly of amphiphilic block copolymers

• Auteur / Autrice : Céline Charbonneau
• Direction : Christophe Chassenieux, Taco Nicolai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des polymères
• Date : Soutenance le 19/10/2012
• Etablissement(s) : Le Mans
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans ; 2012-....) - Laboratoire Polymères, Colloïdes, Interfaces (Le Mans)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lumière -- Diffusion

Rhéologie

Hydrocolloïdes

Dynamique

Composés amphiphiles

Copolymères séquencés

Copolymères

Mots clés libres

Copolymère

Auto-association

Dynamique

Poly(acide acrylique)

Poly(acrylate de n-butyle)

Hydrogel

Rhéologie

Diffusion de la lumière

Amphiphile

Tribloc

Dibloc

Copolymère à blocs

Auto-association

Copolymer

Diblock

Triblock

Amphiphilic

Self-assembly

Dynamic

Poly(acrylic acid)

Poly(n-butyl acrylate)

Hydrogel

Rheology

Light scattering

Résumé

Les copolymères à blocs amphiphiles sont des macromolécules composées d’au moins un bloc hydrophile lié chimiquement à un ou plusieurs blocs hydrophobes. En milieu aqueux, ils s’auto-associent pour former des micelles dont les cœurs constitués des blocs hydrophobes sont protégés de l’eau par une couronne constituée des blocs hydrophiles hydratés. La majorité des copolymères à blocs amphiphiles génèrent dans l’eau des micelles « gelées » ne présentant aucun échange de chaînes entre elles. Ceci vient du fait que l’énergie nécessaire pour extraire un bloc hydrophobe du cœur des objets est beaucoup trop importante. Par conséquent, les caractéristiques des micelles sont plus contrôlées cinétiquement que thermodynamiquement. Pour diminuer cette énergie nous avons incorporé des unités hydrophile acide acrylique (AA) dans le bloc hydrophobe de poly(acrylate de n-butyle) (PnBA). L’incorporation de 50% molaire d’unités AA dans le bloc hydrophobe conduit à la formation d’agrégats pH-sensibles dans le cas du dibloc PAA-b-P(AA0.5-stat-nBA0.5) comme montré dans une étude antérieure. Cette thèse a consisté en une analyse quantitative de la dynamique d’auto-association de copolymères dibloc et tribloc amphiphiles à base d’acrylate de n-butyle et d’acide acrylique dont les blocs hydrophobes contiennent 50% d’unités hydrophiles réparties de manière statistique. Les copolymères à blocs ont été synthétisés par polymérisation radicalaire contrôlée par ATRP. L’influence de la concentration, du pH, de la température et de la force ionique sur la structure et les propriétés mécaniques des systèmes auto-assemblés a été systématiquement étudiée. Par diffusion statique de la lumière nous avons montré la présence d’une concentration d’agrégation critique (CAC) au-dessus de laquelle, des micelles de type étoile (dibloc) ou fleur (tribloc) sont formées par auto-association des blocs hydrophobes. A plus fortes concentrations, des interactions répulsives de type volume exclu apparaissent entre les micelles étoiles. Pour les micelles fleurs, à l’inverse des interactions attractives conduisent au pontage des fleurs jusqu’à l’obtention de réseaux tri-dimensionnels au-dessus de la concentration de percolation. Une attraction trop importante entre les fleurs peut même conduire à une séparation de phase à forte force ionique et bas pH. En diffusion dynamique de la lumière, nous avons montré que la formation des réseaux s’accompagnait de l’apparition d’un mode lent dont l’origine a été expliquée par un mouvement balistique d’hétérogénéités relaxées dans les systèmes. La vitesse de relaxation de ces hétérogénéités s’avèrent être dépendantes des propriétés mécaniques des hydrogels. La formation des réseaux et la dynamique d’échange des chaînes ont été étudiées par rhéologie. La viscosité augmente régulièrement avec la concentration jusqu’à la concentration de percolation où une augmentation brusque de la viscosité se produit et un temps de relaxation apparaît. Le temps de vie des ponts a été finement contrôlé et modulé sur plusieurs décades par modification du pH, de la température et de la force ionique. La formation in-situ des hydrogels nous a permis de mettre en évidence un phénomène de vieillissement des réseaux après leur formation avant d’atteindre un état stationnaire. Ce phénomène s’est traduit par une augmentation du temps de relaxation au cours du temps avant d’atteindre une valeur plateau. Ceci nous a également permis de comprendre pourquoi il était possible de générer des réseaux homogènes, par vieillissement, possédant une dynamique extrêmement lente voir nulle.

Amphiphilic block copolymers are macromolecules composed of at least one hydrophilic block chemically linked to one or several hydrophobic blocks. In water, these macromolecules self-assemble to form micelles composed of a hydrophobic core surrounded by a hydrated hydrophilic corona. The majority of amphiphilic block copolymers form “frozen” micelles in aqueous solution. This means that there is no dynamic exchange of chains between micelles because the energy necessary to extract a hydrophobic block from the core of micelles is too high. Consequently, the characteristics of the micelles are controlled kinetically and not thermodynamically. In order to decrease this energy, we have incorporated acrylic acid units (AA) in the hydrophobic block of poly(n-butyl acrylate) (PnBA). It was previously shown that the incorporation of 50% molar of AA units in the hydrophobic block led to generation of pH-sensitive micelles in the case of PAA-b-P(AA0.5-stat-nBA0.5) diblocks. This thesis presents of a quantitative analysis of the dynamics of self-assembled amphiphilic diblock and triblock copolymer based on acrylic acid units and n-butyl acrylate units. The hydrophobic blocks contained 50% of acrylic acids units incorporated randomly. The block copolymers were synthesized by controlled radical polymerization (ATRP). The influence of the concentration, pH, temperature and the ionic strength on the structure and the mechanical properties of the self-assembled systems was systematically studied. At low concentrations, static light scattering measurements showed the formation of star-like micelles (diblock) or flower-like micelles (triblock) above a critical aggregation concentration (CAC). At higher concentrations, purely repulsive excluded volume interactions between micelles appeared in the case of diblock copolymers. In the case of triblock copolymers bridging of flower-like micelles induced in addition attractive interactions leading to network formation above the percolation concentration. At high ionic strength and low pH, we showed that the attraction between flower-like micelles became sufficiently stong to induce phase separation. Dynamic light scattering measurements showed besides a fast mode due to cooperative diffusion, a second slow relaxation mode that appeared at the percolation concentration. The origin of this mode was explained by a balistic motion induced by the relaxation of heterogeneities inside the system. The velocity of heterogeneities was determined by the mechanical relaxation of the hydrogels. The formation of the network and the exchange dynamic of chains were studied by rheology. The viscosity of solutions increased sharply at the percolation concentration. The terminal visco-elastic relaxation time of the network is related to the lifetime of bridges. It could be controlled and tuned over several decades by varing of pH, temperature and the ionic strength. The in-situ formation of networks revealed an aging of networks after their formation before they reached their stationary state. Aging caused a slow increase of the relaxation time before reaching its steady value. This explains why it is possible to generate homogeneous networks even if the network at steady is kinetically frozen.