Structure et propriétés des hydrogels à réticulation chimique et physique

Structure and Properties of Hydrogels Having Permanent and Transient Crosslinks

• Auteur / Autrice : Jingwen Zhao
• Direction : Costantino Creton, Tetsuharu Narita
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 14/03/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et ingénierie de la matière molle (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Cloitre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Costantino Creton, Tetsuharu Narita, Qian Huang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sebastian Seiffert, Taco Nicolai

Mots clés

Mots clés libres

Hydrogels

Renforcement mécanique

Viscoélasticité

Dissipation d’énergie

Auto-Cicatrisant

Fracture

Hydrogels

Mechanical reinforcement

Viscoelasticity

Energy dissipation

Self-Healing

Fracture

Résumé

Des hydrogels résistants avec des points de réticulation permanents et temporaires ont été élaborés, et leur structure, leurs propriétés mécaniques et les mécanismes de renforcement ont été étudiés. L’origine de cet important renforcement mécanique vient de l’introduction de points de réticulation temporaires : la rupture de ces liaisons temporaires dissipe de l’énergie de déformation et redistribue les forces locales, qui protègent ainsi les liaisons permanentes qui à leur tour empêchent l’écoulement plastique du réseau. La rhéologie linéaire, les propriétés de traction non-linéaires et les propriétés de fracture de deux doubles réseaux ont été étudiées : un gel de poly(alcool vinylique) réticulé chimiquement par du glutaraldéhyde et réticulé physiquement par des ions borates (gel PVA-borax), et un gel de poly(acrylamide-co-1-vinylimidazole) réticulé chimiquement par du N,N’-Methylenebisacrylamide et réticulé physiquement par des ions métalliques (gel AAm-VIm-M2+). Ces deux doubles réseaux ont des temps de relaxation très différents, ce qui a permis l’étude de la dynamique sur une grande plage de temps. Pour des taux de déformation optimaux, les deux gels présentent un important renforcement mécanique en termes de raideur, de déformation à la rupture et de capacité à résister à la propagation de fissure. Cependant, l’extensibilité et la résistance à la fracture du gel AAm-VIm-M2+ augmentent avec le taux de déformation et avec [M2+] tandis que la tendance inverse est observée pour le système Borax, ce qui suggère que, au-delà du temps de relaxation principal en petites déformations, les détails de l’architecture du réseau chimique et physique à l’équilibre sont importants pour le processus de fracture.

Tough hydrogels with permanent and transient crosslinks have been designed, and their structure, mechanical properties, and their reinforcement mechanisms have been investigated. The origin of this strong mechanical reinforcement comes from the introduction of the transient crosslinks, the breaking of these transient bonds dissipate strain energy and redistribute local forces, preventing the irreversible rupture of the permanent bonds, while the permanent bonds prevent the network from plastic flow. The linear rheology, nonlinear tensile and fracture properties of two different dual crosslink gels have been studied: a poly(vinyl alcohol) gel chemically crosslinked by glutaraldehyde and physically crosslinked with borate ion (PVA-borax gel), and a poly(acrylamide-co-1-vinylimidazole) gel chemically crosslinked by N,N'-Methylenebisacrylamide and physically crosslinked by metal ions (AAm-VIm-M2+ gel). These two dual crosslink gels have very different relaxation times, which made it possible to investigate the dynamics over a large time range. For optimized strain rates, both gel systems exhibited strong mechanical reinforcement in terms of stiffness, strain at failure, and the ability to resist crack propagation. However the extensibility and fracture toughness of the AAm-VIm-M2+ gel increased with strain rate and [M2+] while the opposite trend was observed for the Borax system, suggesting that, beyond the main relaxation time, the details of the chemical and equilibrium physical network architecture are important for the fracture process.