Synthèse, structure et propriétés d’hydrogels hybrides à base de polymères et de silicates

Synthesis, structure and properties of hybrid hydrogels based on polymers and silicates

• Auteur / Autrice : Clémence Wable
• Direction : Dominique Hourdet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Polymères
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Silicates

Hydrocolloïdes

Résumé

Nous présentons la synthèse et la caractérisation d’hydrogels hybrides de poly(N,N-diméthylacrylamide) (PDMA) et de poly(acide acrylique) (PAA) transparents et purement élastiques gonflés par des solutions de silicates de potassium. Les propriétés des parties organiques et inorganiques de ces systèmes sont gouvernées par de nombreux paramètres. Une approche en 4 étapes est proposée pour identifier les phénomènes contrôlant les relations structure propriétés. L’étude des propriétés mécaniques (compression, fluage) et thermodynamiques (gonflement) des gels de PDMA et PAA synthétisés dans l’eau a permis, par comparaison avec le modèle du réseau fantôme, l’identification des défauts topologiques dans les structures des gels et le calcul de leurs proportions ; celles-ci étant plus élevées pour des gels de PAA. L’introduction de KOH dans les milieux de synthèse a permis de mettre en évidence les principales conséquences sur la structure et les propriétés des hydrogels : une dégradation chimique des monomères entrainant une diminution des modules élastiques et une variation des quantités de défauts topologiques dans les réseaux. Des gels préparés en présence de particules de silice colloïdales ont été étudiés. Pour le PDMA, nous avons vérifié l’adsorption des chaines polymères à la surface de la silice et caractérisé son impact sur les propriétés mécaniques. Dans le cas du PAA, aucun gel transparent n’a été obtenu. Enfin, des gels transparents PAA/silicates ont été obtenus par polymérisation et dissolution de silice simultanées. Ils présentent des propriétés purement élastiques contrôlées par la concentration en PAA et la compétition en milieu basique entre dissolution de la silice et dégradation chimique des molécules organiques

We report the synthesis and the characterization of transparent and purely elastic hybrid hydrogels of poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA) and poly(acrylic acid) (PAA) swollen by potassium silicate solutions. The structure and properties of each organic and inorganic part of these original systems are controlled by a large number of parameters. A 4-steps approach is proposed to identify progressively the phenomena controlling the structure properties relationships. On the basis of the phantom network model, the analysis of the mechanical (compression, creep) and thermodynamic (swelling) properties of PAA and PDMA gels prepared in water allowed to identify and to quantify topological defects in gel structures; these latter being more important in the case of PAA gels. The introduction of KOH during the synthesis has two main effects on the structure and properties of the hydrogels: a chemical degradation of the monomers, leading to a decrease of elastic moduli, as well as a modification of defect proportion in the network structure. Gels prepared in presence of colloidal silica particles have also been investigated. For PDMA, we checked the polymer chains adsorption on silica surfaces and characterized its influence on the mechanical properties. In the case of PAA chains, it was not possible to obtain a transparent gel. Finally, transparent PAA/silicates gels have been prepared by simultaneous polymerization of the organic network and silica dissolution. The gels present a purely elastic behavior determined by the PAA concentration as well as by the competition, in basic medium, between the silica dissolution and the chemical degradation of the organic monomers