Théorie de la stabilisation colloïdale par des polymères non-attachés

Theory of colloidal stabilization by unattached polymers

• Auteur / Autrice : Alexey Shvets
• Direction : Alexandr Semenov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/05/2014
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Sadron (Strasbourg ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Jörg Baschnagel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aleksandr Ioulevitch Grosberg, Sergei Obukhov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrei Subbotin, Alexei Likhtman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Coefficients du viriel

Colloïdes

Solutions de polymère

Mots clés libres

Colloïdes

Polymères

Colloids

Polymers

SCFT

Random walks

Colloidal stabilization

Soft matter

Résumé

Les dispersions colloïdales ont beaucoup d’applications technologiques importantes. A cause du mouvement brownien, les particules ont des collisions fréquentes entre elles. Les forces d’attraction de van der Waals,dérivant de potentiels à longue portés, conduisent à l’agrégation et à la précipitation des particules. Plusieurs méthodes ont été proposées pour diminuer ou contrebalancer l’effet d’attraction de van der Waals et augmenter la stabilité colloïdale. Par exemple, le choix du solvant possédant l’indice de réfraction le plus proche possible de celui des particules peut diminuer les forces de van der Waals. D'autres facteurs influencent la stabilité comme les interactions électrostatiques et les interactions spécifiques liées aux chaînes de polymères. Dans le cas des polymères, les chaînes peuvent être greffées à la surface des particules ou être dissoutes dans le solvant (chaînes libres). Dans ce travail de thèse, nous avons étudié l’effet de la stabilisation par déplétion dans le cas des chaînes de polymères libres (FPI, "free polymer induced interaction"). Des modèles théoriques précédents portent un caractère trop simplifié et utilisent des approximations sans vérification. De plus, l’influence des paramètres de la solution, c’est-à-dire, de la structure de polymères et de son interaction avec la surface de particule, n’a pas été étudiée.Les chaînes polymères libres ont été modélisées comme des marches aléatoires dans un champ moléculaire auto-cohérent qui satisfait à l'équation intégro-différentielle de diffusion. Pour le domaine moléculaire, nous avons utilisé un potentiel chimique qui, pour la solution de polymère semi-dilué, peut être représenté comme une expansion du viriel où nous n’avons pris en considération que les deuxième et troisième coefficients du viriel de la solution de polymère. En variant des paramètres tels que la rigidité du polymère, la longueur du polymère, la concentration en polymère et le régime du solvant (comme le solvant thêta), que ce soit pour une surface colloïdale purement répulsive, pour une surface adsorbée ou pour la surface d'une couche de polymère greffé, nous avons été en mesure d'améliorer la barrière répulsive due aux polymères libres entre les particules et donc nous avons trouvé des conditions de la stabilisation cinétique du système.

Stable colloidal dispersions with evenly distributed particles are important for many technological applications. Due to Brownian motion colloidal particles have constant collisions with each other which often lead to their aggregation driven by the long range van der Waals attraction. As a result the colloidal systems often tend to precipitate. A number of methods have been devised to minimize the effect of long-range van der Waals attraction between colloidal particles or to override the influence of the attraction in order to provide the colloidal stability.In the PhD thesis we investigated the colloidal stabilization in solutions of free polymers which is commonly referred to as depletion stabilization. Previous theoretical studies of free-polymer induced (FPI) stabilization were based on oversimplified models involving uncontrolled approximations. Even the most basic features of the depletion stabilization phenomenon were unknown. It was unclear how the PI repulsion depends on the solution parameters, polymer structure and monomer/surface interactions.The free polymer chains were modeled as random walks in a self-consistent molecular field that satisfied to diffusion-like integro-differential equation. As the molecular field we used the chemical potential that for semi-dilute polymer solution can be represented as a virial expansion where we took into account only second and third virial coefficients of the polymer solution. Varying the parameters like polymer stiffness, polymer length, polymer concentration and solvent regime (like theta solvent) whether it is for purely repulsive colloidal surface, adsorbed surface or surface with grafted polymer layer we were able to enhance the repulsive barrier due to the free polymers between the particles and therefore found conditions for kinetic stabilization of the system.