Thiol-para-fluoro modified PPFS as building blocks for the design of silica-based nanocomposite and layer by layer self-assembled thin films

by Quanyi Yin

Doctoral thesis in Matériaux

Under the supervision of Aurélia Charlot and Daniel Portinha.

defended on 30-03-2018

in Lyon , under the authority of Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , in a partnership with Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , IMP - Ingénierie des Matériaux Polymères UMR 5223 ( Rhône-Alpes) (laboratoire) and Ingénierie des Matériaux Polymères - Site INSA Lyon / IMP (laboratoire) .

Thesis committee President: Jannick Duchet.

Thesis committee members: Aurélia Charlot, Daniel Portinha, Jannick Duchet, Christelle Delaite, Yves Grohens, Emmanuel Beyou, Olivier Colombani, Jutta Rieger.

Examiners: Christelle Delaite, Yves Grohens.


  • Abstract

    This work describes the preparation of two kinds of thin polymer films : i) self-cleaning silica-based (nano)composites films and ii) LbL self-assembling films, both including poly(2,3,4,5,6-pentaflurostyrene) (PPFS) derivatives, as building blocks. The cornerstone of the approach is to exploit the thiol-para fluoro substitution reaction to PPFS chains in order to generate derivatives with tailored properties. In this frame, PPFS chains were anchored onto the surface of vinyl-functionalized fumed silica nanoparticles by nitroxide-mediated polymerization (NMP) in presence of PS-DEPN as macro-initiator via a “grafting through” strategy. The kinetics of NMP of PFS were investigated in presence and without silica in various solvents and well-characterized hybrid silica particles containing different polymer grafting weight were declined. Then, perfluorodecanethiol (PFDT) was employed to modify PPFS, considered as the host polymer matrix, and to functionalize PPFS chains tethered to silica particles. A large panel of (nano)composite films from the different possible host matrix/silica particles combinations was prepared. The wettability and the surface morphology of each film were discussed, as a function of the host structure (PPFS or PPFS-PFDT with different DS) and silica (modified with PPFS or PPFS-PFDT), as well as the silica content. It results that superhydrophobic features can be reached. Subsequently, PPFS was modified by using carboxylic acid mercapto modifier via the thiol-para fluoro coupling. Various carboxylated PPFS derivatives differing in the degree of substitution (DS) were prepared and their ability to develop H-bonds in solution with a model strong H-bond acceptor partner (poly(4-vinyl pyridine) (P4VP)) was investigated. Dependently on the nature of the solvent, a miscible blend or interpolymer complexes (IPC) were achieved. IPC-containing solutions were used to successfully fabricate spin-assisted films. Furthermore, H-bonds mediated LbL self-assembly multilayer films involving carboxylated PPFS and P4VP were prepared and it was evidenced that the nature of the deposition solvent as well as the extent of the modification (quantified by the DS), impact the growth mechanism, the thickness and the surface features, in terms of topology and wettability.

  • Alternative Title

    PPFS modifié par thiol-para-fluoro comme éléments de base pour la conception de nanocomposites à base de silice et de films minces auto-assemblés couche par couche


  • Abstract

    Ce travail de thèse décrit la préparation de deux types de films de polymères : i) des films nanocomposites à base de silice pyrogénée aux propriétés superhydrophobes et ii) des films LbL auto-assemblés, incluant tous deux des dérivés de poly(2,3,4,5,6-pentaflurostyrene) (PPFS), utilisés comme briques élémentaires. La stratégie utilisée ici consiste à exploiter les nombreux avantages que présente la réaction de substitution du fluor en position para du PPFS avec un thiol, pour générer de nouveaux dérivés aux propriétés ajustables. Ainsi, le premier volet de la thèse a consisté à introduire des chaînes de PPFS de façon covalente à la surface de silice pyrogénée par une stratégie dite de «grafting through» en utilisant la polymérisation radicalaire contrôlée par le voir nitroxydes, en présence de PS-DEPN comme macroamorceur. La cinétique de polymérisation du PFS avec et sans particules silice a été étudiée dans divers solvants, différentes particules hybrides de silices modifiées en surface par une couronne de PPFS ont été préparé. Ensuite, un thiol perfluoré (perfluorodecanethiol:PFDT) a été utilisé pour modifier le PPFS, considéré dans ce cadre comme matrice hôte pour la préparation des nanocomposites et pour modifier le PPFS présent à la surface des particules de silice. A partir de là, un large panel de films nanocomposite a été préparé à partir des différentes combinaisons possibles de polymère hôte (PPFS ou PPFS-PFDT) et de charges inorganiques de silice (modifiées par le PPFS ou par le PPFS-PFDT). Les propriétés de mouillabilité ainsi que la morphologie de surface de chaque film ont été analysées et il en résulte que certains films présentent un caractère superhydrophobe. Le deuxième volet de la thèse a porté sur la modification du PPFS par des thiols porteurs de fonctions acide carboxylique, toujours par la réaction de substitution décrite précédemment. Différents dérivés de PPFS carboxylés de DS variés ont été synthétisés. Leur habilité à développer des liaisons hydrogène avec un polymère modèle accepteur de liaison H (la poly(4-vinyl pyridine) (P4VP)) a été étudiée. Il en ressort que dépendamment de la nature du solvant, des mélanges miscibles ou des complexes interpolymères ont ensuite été formés. Des solutions de complexes préformés ont été successivement déposées par spin-coating pour construire des films. De plus, des films multicouches LbL stabilisés par des liaisons H entre le PPFS carboxylé et la P4VP ont été élaborés and il a été démontré que la nature du solvant de dépôt, ainsi que le taux de modification du PPFS, impactent fortement le mécanisme de croissance, l’épaisseur du film et les caractéristiques de surface, en termes de topologie et de mouillabilité.


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