Surface modification of oxide nanoparticles using phosphonic acids : characterization, surface dynamics, and dispersion in sols and nanocomposites

par Céline Schmitt

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Hubert Mutin et de Julian Oberdisse.

Soutenue le 30-11-2015

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec Institut Charles Gerhardt (Montpellier) (laboratoire) et de Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Emmanuel Beyou.

Le jury était composé de Hubert Mutin, Julian Oberdisse, Emmanuel Beyou, Sylvie Bégin-Colin, Thomas Hellweg, Anne-Caroline Genix.

Les rapporteurs étaient Sylvie Bégin-Colin, Thomas Hellweg.

  • Titre traduit

    Modification de surface de nanoparticules d’oxyde par des acides phosphoniques : caractérisation, dynamique de surface et dispersion dans des sols et des nanocomposites


  • Résumé

    Les dispersions colloïdales de nanoparticules (NPs) sont très répandues dans l'industrie, et permettent d'éviter l'utilisation de NPs sèches, controversée pour des raisons de toxicité. Le contrôle des interactions entre les NPs et le milieu dispersant reste le point clé de ces systèmes. La modulation de ces interactions permet de contrôler l'état de dispersion des NPs dans les sols. De plus, les nanocomposites NPs-polymère se sont avérés prometteurs pour une large gamme d'applications, ainsi l'utilisation de sols pourrait présenter une voie avantageuse d'incorporation des NPs dans le polymère, tout en offrant la possibilité de contrôler leur état de dispersion, et in fine les propriétés du matériau, celles-ci étant liées à l'état de dispersion des NPs. L'objectif de ce travail de thèse est le développement de méthodes de modification de surface de NPs d'oxyde en dispersion colloïdale, tout en contrôlant la dispersion des NPs dans les sols et dans les nanocomposites issus de ces sols. Puis, l'évaluation de cet état de dispersion par SAXS. Deux méthodes de modification de surface ont ainsi été développées : la première implique le greffage d'acides phosphoniques sur des NPs de silice recouvertes d'alumine en dispersion dans l'eau, et la seconde met en jeu le greffage d'acides phosphoniques sur des NPs de TiO2 et leur transfert d'une phase aqueuse à une phase CHCl3. Les NPs modifiées ont été caractérisées par diverses méthodes. Leur état de dispersion a été étudié par DLS et SAS. De plus, pour les NPs de silice-amine, l'impact de la densité de greffage du C8PA sur la structure des NPs (à l'état sec) a été mis en évidence par SAXS et différents processus de relaxation ont été étudiés par BDS pour les NPs nues et modifiées. Enfin, ces NPs ont été incorporées dans un polymère de PEA par voie aqueuse via des latex et leur état de dispersion dans les composites a été mesuré par SANS.


  • Résumé

    Colloidal nanoparticles (NPs) dispersions are largely used in the industry, and avoid the use of dried NPs, which is controversial due to safety concerns. The key point in such systems remains the control of the interactions with the dispersed medium and between the NPs. Mastering these interactions allows controlling the NPs' state of dispersion. Moreover, as polymer-NPs nanocomposites have been found promising for a wide variety of applications, the use of colloidal sols could thus be an advantageous way of NPs' incorporation in the polymer, with a possible control of the NPs state of dispersion, and finally on the properties of the material, as they are linked to the NPs' dispersion. The purpose of this PhD work is to develop surface-functionalization methods of oxide NPs in colloidal sols in order to control the dispersion of NPs in the sols and in polymer nanocomposites derived from these sols, and to evaluate this dispersion using SAXS. Two surface modification methods have been developed to obtain aqueous or organic sols of functionalized NPs. The first one concerns the reaction in water of alumina-coated silica NPs with phosphonic acids (PAs), and the second one involves the simultaneous grafting and phase transfer of TiO2 NPs from an aqueous to a CHCl3 phase using PAs. The resulting NPs were characterized and their state of dispersion was monitored by DLS and SAS measurements. The impact of the C8PA grafting density on the structure of modified alumina-coated silica NPs in the dried state was evidenced by SAXS. The different relaxation processes of bare and grafted NPs were studied by BDS. These NPs were then incorporated in a PEA polymer by an aqueous latex route, and their structure in the nanocomposites was investigated by SANS.


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