Synthèse de réseaux interpénétrés de polymères à l'interface air-eau

Synthesis of interpenetrating polymer networks at the air-water interface

• Auteur / Autrice : Aurély Araminthe
• Direction : Sophie Cantin, Alae El haitami
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie - Cergy
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2023
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physico-chimie des polymères et des interfaces (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 1998-....)

Mots clés

Mots clés libres

Réseaux interpénétrés de polymères

Film de Langmuir

Mélanges 3D de polymères

Interpenetrating polymer networks

Langmuir film

3D polymer blends

Résumé

Les mélanges 3D de polymères sont rarement miscibles. Pour limiter significativement la séparation de phase et ainsi combiner les propriétés des deux polymères, l'une des stratégies est la synthèse de réseaux interpénétrés de polymères (RIPs) où les deux polymères sont réticulés l'un en présence de l'autre via deux voies différentes. Dans le cadre de ce sujet de thèse, nous proposons d'étudier la synthèse de RIPs à base d'oligomères ou de polymères mais à 2D à l'interface air-eau sous forme de films d'épaisseur monomoléculaire appelés films de Langmuir. Ces films pourront ensuite être transférés sur un substrat solide, jouant ainsi le rôle de revêtement d'épaisseur nanométrique dont la morphologie et la mouillabilité seront caractérisées. Alors que les matériaux à base de RIPs 3D sont largement décrits dans la littérature, les films de Langmuir à base de RIPs 2D, à ce jour, n'ont pas encore été rapportés. De telles architectures 2D devraient assurer la stabilité du revêtement ultramince vis-à-vis des stimuli externes (température, solvant, pH…) de manière similaire à leurs analogues en 3D. Dans une première étape, l'étude de la synthèse de réseaux 2D simples à base de chacun des polymères considérés sera réalisée. Pour cela, des réactions de réticulation des polymères soit par voie radicalaire sous irradiation UV, soit par l'intermédiaire d'un agent réticulant seront considérées. Des caractérisations multi-échelles in situ à l'interface air-eau seront effectuées, allant de l'échelle macroscopique par isotherme de compression puis des observations de la morphologie par microscopie à l'angle de Brewster (BAM) jusqu'à l'échelle nanométrique par réflectivité des neutrons. La cinétique des réactions de réticulation sera quant à elle étudiée in situ à l'interface air-eau par spectroscopie par génération de fréquences somme (SFG). Cette méthode de spectroscopie optique non-linéaire permettra de sonder les propriétés vibrationnelles des différents groupements chimiques impliqués dans les réactions de réticulation. À l'issue de cette étape, il est prévu de synthétiser les RIP 2D à partir de mélanges de polymères linéaires dont la composition sera fixée à l'aide des diagrammes de phase préétablis. Les polymères seront réticulés au sein du mélange, soit simultanément soit de manière séquentielle. Les morphologies des films obtenus par ces deux méthodes seront comparées. Le dernier objectif de ce sujet de thèse est d'étudier les revêtements ultraminces à base des RIP 2D après leur transfert de la surface de l'eau vers un substrat solide. Ainsi, afin d'étudier l'influence du substrat (eau ou solide) sur l'organisation des polymères, les signatures vibrationnelles (SFG) des groupements chimiques des polymères au sein des revêtements seront comparées à celles obtenues à l'interface eau-air. La morphologie des revêtements sera caractérisée par microscopie à force atomique en fonction de la nature du substrat, de la composition du film, des paramètres physico-chimiques et des conditions de réticulation. Enfin, les propriétés de mouillage de ces revêtements RIP 2D seront étudiées par mesures d'angle de contact dynamique de l'eau et d'autres liquides modèles. La combinaison des différentes caractérisations in situ et ex situ des RIP 2D permettra de mieux comprendre l'influence des réactions de réticulation des polymères à l'interface air-eau sur les propriétés de mélange de polymères.

3D polymer blends are rarely miscible. To significantly limit phase separation and thus combine the properties of the two polymers, one strategy is the synthesis of interpenetrating polymer networks (IPNs) where the two polymers are cross-linked in the presence of each other via two different routes. In this thesis, we propose to study the synthesis of RIPs based on oligomers or polymers but at 2D at the air-water interface in the form of films of monomolecular thickness called Langmuir films. These films can then be transferred to a solid substrate, acting as a nanometer-thick coating whose morphology and wettability will be characterized. While materials based on 3D IPNs are well described in the literature, Langmuir films based on 2D IPNs have yet to be reported. Such 2D architectures should ensure the stability of the ultrathin coating with respect to external stimuli (temperature, solvent, pH...) in a similar way to their 3D analogues. In a first step, the synthesis of simple 2D networks based on each of the polymers considered will be studied. To this end, polymer cross-linking reactions will be considered, either by the radical route under UV irradiation, or via a cross-linking agent. In situ multi-scale characterizations at the air-water interface will be carried out, going from the macroscopic scale by compression isotherm and morphology observations by Brewster angle microscopy (BAM) to the nanometric scale by neutron reflectivity. The kinetics of cross-linking reactions will be studied in situ at the air-water interface using sum frequency generation (SFG) spectroscopy. This non-linear optical spectroscopy method will probe the vibrational properties of the various chemical groups involved in cross-linking reactions. At the end of this step, 2D IPNs will be synthesized from blends of linear polymers whose composition will be determined using pre-established phase diagrams. The polymers will be cross-linked within the blend, either simultaneously or sequentially. The morphologies of the films obtained by these two methods will be compared. The final objective of this thesis is to study ultrathin coatings based on 2D IPNs after their transfer from the water surface to a solid substrate. Thus, in order to study the influence of the substrate (water or solid) on polymer organization, the vibrational signatures (SFG) of polymer chemical groups within the coatings will be compared to those obtained at the water-air interface. The morphology of the coatings will be characterized by atomic force microscopy as a function of substrate type, film composition, physico-chemical parameters and cross-linking conditions. Finally, the wetting properties of these 2D IPN coatings will be studied by dynamic contact angle measurements of water and other model liquids. The combination of the various in situ and ex situ characterizations of 2D IPNs will provide a better understanding of the influence of polymer crosslinking reactions at the air-water interface on polymer blending properties.