Rheophysical properties of fluorinated nonionic micellar phases : link with mesoporous materials

par Rawiwan Banchathanakij

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Paul Decruppe et de Marie-José Stébé.

Le président du jury était Blaise Nsom.

Le jury était composé de Christophe Baravian, Jean-François Le Meins, Jean-François Wax.

Les rapporteurs étaient Frédéric Pignon, Christian Wagner.

  • Titre traduit

    Propriétés rhéophysiques de phases micellaires fluorées non ioniques : lien avec les matériaux mésoporeux


  • Résumé

    Afin d'établir un lien entre les solutions servant de modèles dans la préparation de matériaux mésoporeux, on étudie les propriétés physiques à l'équilibre et hors équilibre de solutions micellaires aqueuses à base de deux tensioactifs fluorés : C8F17C2H4(OC2H4)9OH, [RF8(EO)9] and C7F15C2H4(OC2H4)8OH, [RF7(EO)8]. Cette étude devrait nous aider à comprendre pourquoi on obtient des matériaux mésoporeux bien ordonnés à partir de solutions micellaires du tensioactif RF8(EO)9 et des structures désordonnées lorsque l'on utilise RF7(EO)8. Les expériences sont menées sur quatre systèmes de deux surfactants: RF7(EO)8/H2O, RF7(EO)8/NaI/H2O, RF8(EO)9/H2O et RF8(EO)9/NaCl/H2O. Plusieurs techniques expérimentales sont utilisées: rhéologie, biréfringence d'écoulement et diffusion de neutrons aux petits angles dans le but de décrire ces quatre systèmes. Les diagrammes de phase des deux tensioactifs montrent qu'une phase micellaire L1 existe dans une large gamme de température et concentration. Mais dans tous les cas, la distance à la courbe de miscibilité a une influence sur les caractéristiques rhéologiques bien que toutes les solutions soient une phase L1. La biréfringence d'écoulement des deux systèmes apporte des informations complémentaires quant à la taille et la forme des micelles. Pour les deux systèmes, avec et sans sel, les résultats suggèrent l'existence de petites micelles allongées liées en chaines par des forces faibles excepté pour le système RF8(EO)9 qui ne présente pas de biréfringence notable; les micelles sont probablement petites avec une forme voisine de la sphère. Pour les quatre systèmes, on observe une perte du caractère Maxwellien lorsque les conditions de concentration et de température se rapprochent de la courbe de miscibilité. Ces résultats confortent l'idée selon laquelle : les conditions thermodynamiques choisies pour l'addition de la silice ne doivent pas être trop proches de la courbe de miscibilité, afin d'obtenir des matériaux mésoporeux ordonnés. Dans ces conditions, les solutions sont Maxwelliennes et les matériaux mésoporeux synthétisés sont ordonnés


  • Résumé

    To provide a link between the micellar templates and the mesoporous material characteristics in the final product, the physical properties of aqueous systems prepared with two kinds of fluorinated surfactants are described and analyzed under equilibrium and out-of-equilibrium conditions: the surfactants are C8F17C2H4(OC2H4)9OH, [RF8(EO)9] and C7F15C2H4(OC2H4)8OH, [RF7(EO)8]. This study may help us to understand why the ordered mesoporous materials are recovered only when RF8(EO)9 micellar solutions are used as building blocks while RF7(EO)8 solutions give rise to wormhole like structure. The distance to the lower consolute boundary (LCB) and a shift in position by salt additions are also taken into account. The experiments concern four systems of two surfactants; 1) pure RF7(EO)8 in water, 2) RF7(EO)8 in the presence of the NaI salt, 3) pure RF8(EO)9 in water, and 4) RF8(EO)9 in the presence of the NaCl salt. Several experimental techniques have been used (rheology, flow birefringence, neutron scattering) to shed light on the physical difference between the four systems. The phase diagrams of both surfactants show that a direct micellar phase (L1) exists in a wide range of concentrations and temperatures. In any cases, the distance to the LCB is a parameter which influences rheological behaviour although the micellar phase still is a L1 phase. The flow birefringence experiments performed on both systems bring complementary information of the size and shape of the micelles. For both systems, with and without salt, the results suggest the existence of small elongated micelles linked by weak forces except for the RF8(EO)9 system which shows no birefringence; the micelles in solution are probably small with a shape close to a sphere. From all four systems, the loss of the Maxwellian character is generally observed when the conditions approach the miscibility curve. These results consolidate the assumption that in order to prepare ordered mesoporous materials, the thermodynamical conditions at which the silica precursor is added to the micellar solution should not be too close to the miscibility curve. Therefore, this study suggests that the Maxwellian character seems to be a pre-requisite condition of the micellar solution for obtaining ordered mesoporous materials


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