Particules greffées d'homopolymères et de copolymères pour l'élaboration de nanocomposites modèles : dispersion des particules, dynamique des chaînes greffées en relation avec les propriétés rhéologiques

Grafted particles with homopolymers and copolymers for the development of model nanocomposites : particles dispersion, grafted chains dynamics and link with the rheological properties.

• Auteur / Autrice : Nicolas Genevaz
• Direction : Denis Bertin, Jacques Jestin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences chimiques
• Date : Soutenance le 18/12/2014
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Marseille ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Amiel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Boué, Didier Gigmes
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuelle Dubois, Emmanuel Beyou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères -- Rhéologie

Copolymères greffés

Propriétés mécaniques

Polymères

Mots clés libres

Nanocomposites

Radical controlled polymerization

Particles dispersion

Mechanical properties

Polymer dynamics

Radiation scattering (X-Ray and neutrons)

Résumé

Les nanocomposites polymère intéressent depuis de nombreuses années la communauté scientifique, du fait, notamment, de leurs bonnes propriétés mécaniques. Il est établi que l'amélioration des propriétés mécaniques observées dans les nanocomposites est principalement due à des effets de structure (dispersion des particules) et à des effets d'interface (interactions particule/matrice et particule/particule). Cependant, de nombreux résultats expérimentaux restent difficiles à expliquer. Dans ce contexte, nous avons synthétisé des nanocomposites modèles constitués de nanoparticules de silice greffées de chaînes de polystyrène (PS) (ou de PS-b-poly(acrylate de tertio-butyle)) par polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes (NMP) et réparties dans une matrice de PS. Ces nanocomposites ont ensuite été caractérisés en couplant la diffusion de rayons X et la microscopie électronique à transmission. En variant la taille des chaînes de la matrice, nous sommes parvenus à obtenir différentes répartitions spatiales de particules allant de la dispersion totale à l'agrégation en passant par un état intermédiaire s'apparentant à un réseau connecté aux fractions volumiques élevées. Les propriétés mécaniques de ces nanocomposites ont été étudiées par des mesures de cisaillement aux faibles fréquences puis reliées aux différentes dispersions observées. Enfin, nous avons mesuré la dynamique locale et intermédiaire des chaînes de polymères greffées dans les matériaux préparés en couplant la diffusion quasiélastique des neutrons (rétrodiffusion et écho de spin) et la résonance magnétique nucléaire. Ces mesures ont ensuite été reliées aux propriétés mécaniques des nanocomposites.

Polymer nanocomposites interest for many years the scientific community, due in particular, to their good mechanical properties. It is established that the improvement of these properties observed in nanocomposites are mainly due to structural effects (particles dispersion) and interfacial effects (particle/matrix and particles/particles interactions). However, many experimental results are difficult to explain. In such a context, we have synthesized model nanocomposites based on silica nanoparticles grafted with polystyrene (PS) chains (or PS-b-poly(ter-butyl acrylate)) by nitroxide mediated polymerization and dispersed in a PS matrix. Then, these nanocomposites have been characterized by combining X-ray scattering and transmission electronic microscopy. By varying the length of the matrix chains, we have obtained different fillers structure going from individual nanoparticles dispersion to aggregate, up to an intermediate state (equivalent to an interconnected network for high volume fraction). Mechanical properties of these nanocomposites were studied by the mean of shear measurements at low frequency and linked to the different states of dispersion observed. Finally, we have measured local and intermediate dynamics of the grafted polymer chains by combining quasielastic neutron scattering (backscattering and spin echo) and nuclear magnetic resonance. Then, we have linked these measurements with the mechanical properties of the materials.