Conception de nouveaux matériaux mous et compréhension de la rupture moléculaire des réseaux à l’aide de la mécano-fluorescence

Design of novel soft materials and understanding how soft networks break using mechano-fluorescence

• Auteur / Autrice : Victoria Waltz
• Direction : Costantino Creton, Jutta Rieger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et ingénierie de la matière molle (Paris ; 1997-....) - Sciences et Ingénierie de la Matière Molle (UMR 7615) / SIMM
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Min Hui Li
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Costantino Creton, Jutta Rieger, Min Hui Li, José M. Asua, Sylvie Castagnet, Shelby HUTCHENS
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : José M. Asua, Sylvie Castagnet

Mots clés

Mots clés libres

Élastomère

Fracture

Renforcement mécanique

Réseau multiple

Elastomer

Fracture

Mechanical reinforcement

Multiple network

Résumé

Les matériaux élastiques peuvent se déformer de façon réversible de plusieurs fois leur taille initiale. Leur faible résistance à la fracture provient de la présence de défauts, qui lors de la déformation, entraînent la nucléation et propagation catastrophique d’une fissure, mécanisme qui reste mal compris. Cette thèse s’organise autour de deux axes : (i) le développement de nouvelles stratégies de synthèse de renforcement des élastomères, et (ii) l’étude, plus fondamentale, de la fracture dans des matériaux contrôlés modèles. Inspiré du renforcement structurel des réseaux multiples, nous avons développé deux nouvelles voies de synthèse d’élastomères renforcées : des composites à charges molles et inter-pénétrables de même nature chimique que la matrice, et des films de particules à réseaux interpénétrés synthétisées par polymérisation en émulsion. Nous avons obtenu des composites dont le durcissement à la déformation est contrôlable par la fraction volumique de particules dans la matrice. Les particules à réseaux interpénétrés obtenues par polymérisation en émulsion ont pu être fonctionnalisées pour pouvoir être connectées lors du séchage. Dans un second temps, nous avons travaillé sur des réseaux élastomères modèles contenant des mécanophores pour étudier leur fracture. Nous avons notamment amélioré une nouvelle méthode permettant la visualisation et quantification par microscopie confocal de rupture des chaînes du réseau, basée sur une activation de fluorescence lors de la rupture de liaison chimique. En variant la longueur initiale de l’entaille dans des échantillons du même réseau polymère, nous avons pu discuter les prédictions de la mécanique de rupture élastique au regard de l’endommagement par rupture de chaînes en pointe de fissure. En variant la maille des réseaux polymères, nous avons pu étudier les effets structurels du réseau sur la rupture de chaînes en pointe de fissure et discuter le modèle moléculaire de Lake et Thomas. Enfin nous avons observé in situ la formation d’une striction élastique dans des réseaux multiples. Nous avons quantifié localement la rupture de liaisons et le transfert des contraintes du premier réseau vers le deuxième. Ces nouveaux résultats seront utiles au développement de nouveaux modèles réalistes de la fracture des matériaux élastiques.

Elastic materials can deform reversibly by several times their initial size. Their low resistance to fracture is due to the presence of defects, which during deformation, lead to the still poorly understood catastrophic propagation of a crack. This thesis is organized around two axes: (i) the development of new elastomers designs for toughening, and (ii) the more fundamental study of fracture in more conventional elastomeric networks. Inspired by the structural reinforcement of multiple networks, we have developed two new ways of synthesizing reinforced elastomers: firstly, composites with soft and interpenetrable fillers of the same chemical nature as the matrix and secondly, films made from particles of interpenetrated networks synthesized by emulsion polymerization. We obtained composites with tunable strain-hardening according to the volume fraction of particles in the matrix. The double network particles obtained by emulsion polymerization could be functionalized chemically, which allowed their connection by covalent bonds during the drying process. In a second stage, we investigated the mechanisms of fracture of model elastomeric networks with a newly developed method allowing the mapping and quantification of network damage by fluorescence confocal microscopy. By varying the initial notch length in samples of the same polymer network and quantifying chain scission at the crack tip, we were first able to discuss the validity of the predictions of elastic fracture mechanics. Then, by varying the chain length in the polymer networks, we were able to investigate the effects of changing the network structure on chain scission at the crack tip and discuss the molecular model of Lake and Thomas. Finally, we observed in situ the necking process in multiple networks and quantified the local bond scission accompanying the stress transfer from the first to the second network. These new results will be useful for the development of new molecular models of fracture of elastic materials.