Conducteurs ioniques transparents et matériaux fluorescents à base de mélanges hybrides PEO/PPO-Siloxane

Transparent ionic conductors and fluorescent materials based on hybrid PEO/PPO siloxanes

• Auteur / Autrice : Gustavo Palácio
• Direction : Damien Boyer, Celso-Valentim Santilli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie, Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 21/09/2017
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Silvania Lanfredi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Wong Chi Man, Karim Dahmouche, Bérangère Toury-Pierre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Wong Chi Man, Karim Dahmouche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Hybrides organiques-inorganiques

Procédé sol-gel

Photoluminescence

Revêtements OIH

Conducteurs ioniques solides

Organic-inorganic hybrids

Sol-gel process

Photoluminescence

OIH coatings

Solid ionic conductor

Résumé

Ce travail de thèse présente une méthode de synthèse par le procédé sol-gel pour la préparation de matériaux hybrides organiques-inorganiques (OIH) basés sur le mélange de deux polyéthers différents, le poly (oxyde d´éthylène) (PEO) et le poly (oxyde de propylène) (PPO) liées de façon covalente avec l´agent de réticulation ureasil (U). Dû aux différents sites actifs présents dans la structure du matériau OIH, plusieurs cations métalliques peuvent être introduits dans la matrice hybride par complexation soit avec l´oxygène de type éther, soit avec l´oxygène du type carbonyle. Suite à ce constat, différentes matrices hybrides ont été synthétisées en introduisant des ions Eu3+ ou Li+ afin de conférer aux matériaux des propriétés optiques ou électriques. La compréhension des propriétés structurales et thermiques des différents polymères, l´ajout de différents cations Eu3+/Li+, et l'effet du plastifiant (PPO2000) dans la mélange hybride U-xPEO1900:/U-1-xPPO2000 (ratio de PPO2000 dans la mélange, x = 0.2, 0.5 et 0.8), ont été étudiés par DSC et SAXS. Les résultats de DSC ont révélé une unique température de transition vitreuse (Tg) pour tous les matériaux étudiés. L´ajout des ions Eu3+ dans le matrice n´a pas causé de variations dans les valeurs de Tg tandis que l´insertion de cations Li+ a provoqué une augmentation dans les valeurs de Tg, indiquant l´existence d’interactions entre les cations Li+ et la phase polymérique du matériau OIH. Les courbes de calorimètrie de l´U-PEO1900 ont aussi révélé la présence d´une pic endothermique à 25 °C, associé à la fusion des domaines cristallins du PEO1900. La présence d´un deuxième maximum dans les courbes de diffusion des rayons X à petits angles (SAXS) a confirmé l’existence de la structure semi-cristalline du PEO1900 dans une région de température entre -100 °C < T < Tf. Tous les échantillons, non-dopés et dopés avec les ions Li+ et Eu3+, ont montré un pic de corrélation indiquant que la nano-structure de la matrice hybride n´est pas affecté par le dopage avec les cations métalliques. Les études par Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier (FTIR) et par spectroscopie Raman ont confirmé l´interaction des ions Eu3+ avec l´oxygène du type carbonyle présent dans les groupes urées de la matrice hybride, et des ions Li+ avec l´oxygène du type éther. La photodégradation accélérée a révélé une perte des performances de la photo-luminescence (PL) associée à des changements dans la coordination des ions Eu3+ avec la matrice hybride. La photodégradation induit la formation de photo-produits venant de la β-scission du macroradical formé dans la portion organique de la matrice hybride. La β-scission peut-être responsable pour la diminution de la PL du matériau dû la perte de l´efficacité de l´effet antenne du ligand organique pour le centre luminescent. La transition dans la région visible du rouge vers le bleu avec la photodégradation qualifie ces matériaux de bons candidats pour l'application comme capteurs et marqueurs optiques. La conduction ionique des matrices hybrides dopés avec Li+ a été évaluée par Spectroscopie d´Impédance en fonction de la température et les résultats ont révélé des corrélations entre la superstructure lamellaire du PEO1900 et le mécanisme de conduction. L´addition d´un plastifiant, le PPO2000, a permis l´augmentation de la conductivité ionique dans une région de température entre -100 °C < T < 10 °C dû à l´augmentation de la portion amorphe utilisée comme chemin de transport ionique efficace dans le mélange polymère hybride U-xPEO1900/U-1-xPPO2000.

In this PhD thesis a greener synthesis route via sol-gel reactions aiming to prepare multifunctional organic-inorganic hybrid (OIH) materials based on blending of two polyether amine end chains (i.e., Jeffamine® compounds) Poly(ethylene oxide) (PEO) and Poly(propylene oxide) (PPO) covalently bonded with an ureasil cross-linking agent (U) is reported. Due to the different polar oxygen sites present in this OIH material, several metallic cations can to be introduced into the OIH matrix via ether- or carbonyl-type oxygen. So, different OIH matrices containing Eu3+ or Li+ cations were synthetized to evaluate their potential as photoluminescent or ionic conductor material, respectively. The thermal and structural characteristics of the Eu3+ or Li+ – loaded OIH materials, as well as the plasticizer effect of PPO2000 at the U-xPPO2000:/U-1-xPEO1900, (PPO2000 fraction x = 0.2, 0.5 and 0.8) blends, were carried out by DSC and SAXS. DSC results revealed a unique glass transition temperature (Tg) for all the studied OIH materials. The addition of Eu3+ cations do not change the Tg values while the Li+ cations caused an increase in the values of Tg, due to the Li+ interaction with the polymeric phase of the material. The U-PEO1900 calorimetric curves also showed the presence of an endothermic peak at 25 °C associated to the fusion of the crystalline domains of PEO1900. The second maxima observed in the curves of small angle X-ray scattering (SAXS) confirmed the presence of the crystalline structure of PEO1900 in a temperature range of -100 < T < Tf. All the samples, undoped and Li+ or Eu3+ doped ones, showed a correlation peak indicating that the OIH nano-structure is not affected by the metallic cations doping. Analysis carried out by Fourier Transform InfraRed (FTIR) and Raman Spectroscopy confirmed the Eu3+ cations interaction via the oxygen carbonyl-type present in the urea groups of the hybrid matrix, and that of Li+ cations with the oxygen ether-type. The accelerate photo-degradation revealed a loss of the photo-luminescence (PL) efficiency due to the changes in the Eu3+ cations coordination with the hybrid matrix. The photo-degradation induces the formation of photo-products from the macro-radical β-scission formed in the organic fraction of the hybrid matrix. The β-scission can be responsible for the material PL decrease due to the drop in the antenna effect from organic ligand to luminescent center. The visible emission transition from red → blue with the photo-degradation qualify these materials as good candidates to be applied as sensors and optical markers. The ionic conduction of the Li+-loaded hybrid matrices was investigated by Impedance Spectroscopy as a function of the temperature. Results showed a correlation between the lamellar superstructure of the PEO1900 and the conducting process. The plasticizers addition (PPO2000) alloyed to improve the value of the ionic conductivity in the low temperature range, -100 °C < T < 10 °C due to the increase of the amorphous fraction used as effective ionic transport pathway in the U-xPEO1900/U-1-xPPO2000 polymeric hybrid blend.