Hybrid hydrogels as model nanocomposites : reinforcement mechanisms by analogy with filled rubbers

par Anne-Charlotte Le Gulluche

Thèse de doctorat en Science des matériaux

Sous la direction de Paul Sotta, Alba Marcellan et de Olivier Sanseau.

Le président du jury était Thierry Delair.

Le jury était composé de Paul Sotta, Alba Marcellan, Olivier Sanseau, Finizia Auriemma.

Les rapporteurs étaient Julian Oberdisse, Gudrun Schmidt.

  • Titre traduit

    Hydrogels hybrides en tant que nanocomposites modèles : mécanismes de renforcement par analogie avec les élastomères chargés


  • Résumé

    Les hydrogels sont des matériaux intrinsèquement mous, fragiles et élastiques, majoritairement composes d'eau. Leur capacité unique à interagir avec leur environnement se traduit par une grande variation de leur volume initial et en font l'objet d'applications variées dans de nombreux domaines tels que le secteur biomédical, l'industrie agro-alimentaire et cosmétique. Plus récemment, des hydrogels ont été développés pour des secteurs de pointe comme la robotique ou l'ingénierie tissulaire, permettant d'élargir le spectre d'utilisation de la matière molle en tant que matériau structurel. De ce fait, la conception d'hydrogels mécaniquement performants représente un enjeu majeur au développement futur de ces applications.L'élaboration de matériaux nanocomposites incorporant des nanocharges à un réseau organique réticule de façon covalente s'est avérée une stratégie de renfort efficace. Le renforcement dépend alors des interactions existantes entre le polymère et les charges ainsi que de l'état de dispersion des nanoparticules au sein du réseau. Des hydrogels hybrides, à base de poly(N-alkylacrylamides) et de nanoparticules de silice ont ainsi été mis au point, démontrant une amélioration significative des propriétés mécaniques (déformation à la rupture, capacités d'autoréparation). Ce phénomène est attribué à l'adsorption réversible du polymère à la surface des nanoparticules. Si les propriétés viscoélastiques de ces composés ont été largement étudiées, peu de travaux ont été effectués sur la caractérisation et la quantification des interactions à l'interface solide/liquide. De même, le comportement au delà du domaine linéaire ne reste que peu étudié à ce jour. La première partie de ces travaux a été dédiée à la synthèse de chaines linéaires de poly- (acrylamide) (PAAm) et poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA) ainsi qu'à l'étude de leurs capacités d'adsorption sur la silice tout en contrôlant la chimie de surface des nanoparticules. Cela a permis de mettre en évidence le peu d'affinité du PAAm envers la surface de silice, justifiant ainsi son emploi en tant que monomère « inerte ». En second lieu, il s'est agi de moduler les interactions entre le polymère et la silice au sein des hydrogels hybrides en substituant le polymère interagissant avec l'adsorbat (PDMA) par un polymère peu apte à s'adsorber sur la silice (PAAm). La structure de ces composés ainsi que leur comportement mécanique ont été explorés avec un intérêt marqué pour le domaine non linéaire. Le rôle de l'adsorption dans le renfort mécanique a ainsi été confirmé et plus précisément l'importance des groupements silanols à la surface de la silice. La contribution de l'état d'agrégation des nanoparticules sur la structure et les propriétés mécaniques ont ensuite été étudiés. Le comportement non-linéaire aux grandes déformations des hydrogels synthétisés a notamment été investigué par des expériences de rhéologie aux grandes amplitude de cisaillement (LAOS), permettant une caractérisation plus poussée des mécanismes de renfort, par analogie avec les élastomères chargés


  • Résumé

    Hydrogels are soft and elastic solid materials mainly composed of water. Owing to their ability to interact with their environment through drastic volume change, hydrogels already find a wide range of applications, as superabsorbants, in pharmaceutics as drug delivery systems and more recently, as sensors and actuators, widening even more the possible use of soft materials as structural or load-bearing materials. Hence, providing gels with high mechanical performances is of major importance to meet these demanding applications. Efficient toughening can be achieved by combining inorganic and organic materials linked by physical and/or chemical interactions. In such nanocomposite materials, the reinforcement depends on the interactions between the polymer and the filler and of the dispersion state of the fillers, allowing to reach the full extent of reinforcement. Hybrid hydrogels based on poly(N-alkylacrylamide) and nanosilica demonstrating great mechanical reinforcement at large strain as well as self-healing capabilities were designed by Hourdet and Marcellan . The drastic improvement of the mechanical behavior is attributed to the reversible adsorption of the polymer onto silica surface. Viscoelastic properties of such hybrids gels have been extensively studied but few studies were carried out to understand and quantify the interactions at the solid/liquid interface. Likewise, the behavior beyond viscoelastic regime of such materials remains scarcely investigated. A first part of this study focused on the synthesis and the adsorption behavior of linear polymer chains of polyacrylamides, more precisely poly(acrylamide) (PAAm), poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA) onto silica nanoparticles with controlled surface chemistry. It evidenced the non-interacting behavior of PAAm towards silica surface, justifying its choice as a non-interacting polymer. A second part dealt with the modulation of particle/polymer interactions in hybrid gels either by substituting the interacting monomer (DMA) with a non-interacting one (AAm) or by tuning the surface chemistry of the nanoparticles. Then, the study of their structure and mechanical properties was conducted with a special focus on the non-linear behavior. The role of polymer adsorption for gel reinforcement was evidenced and more specifically the importance of the silanol groups at the silica surface for PDMA/silica interactions. The contribution of the dispersion state of silica on the structure and the mechanical response of hydrogels was then addressed and the non-linear domain of the resulting hydrogels was investigated using Large Amplitude Oscillatory Shear experiments. The impact of the chosen monomer and of the dispersion state of the fillers was investigated at large strain, allowing a more precise analysis of the reinforcement mechanisms, by analogy with filled elastomers


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