Poly(ethylene-co-acrylic acid) random copolymers : amphiphilic properties and self-assembly in aqueous medium

Abstract

Les travaux de recherche présentés ici avaient pour objectif principal la synthèse de copolymères statistiques à base d’éthylène et d’acide acrylique (AA). Pour cela, la déprotection des groupements esters d’un copolymère statistique précurseur, le poly(éthylène-co-(tert-butyl)acrylate), a été effectuée par hydrolyse à l’aide d’iodure de triméthylsilyle. La synthèse de ce précurseur est réalisée par polymérisation catalytique en présence d’un système à base de Palladium (Pd). Le deuxième objectif a été d’étudier et de caractériser des polymères synthétisés à l’état solide et en suspension colloïdale. Plusieurs copolymères précurseurs comprenant différents pourcentages molaires en tert-butyl acrylate (4 à 12% molaires) ont été synthétisés avec succès, puis déprotégés par hydrolyse pour obtenir des poly(éthylène-coacide acrylique) (pE-co-AA) avec différentes compositions. Seuls les copolymères comprenant 10% molaire ou plus de AA sont solubles dans le Tétrahydrofurane (THF) et uniquement dans ce solvant. De telles solutions peuvent être dialysées dans l’eau, ce qui conduit à un échange lent entre cette dernière et le THF, et l’autoassemblage du copolymère dans l’eau peut ensuite être étudié. C’est ainsi qu’ont pu être observées des nanoparticules stables dans le temps dont le comportement est sensible au pH et à la température. Les polymères synthétisés ont été caractérisés par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) ainsi que par spectroscopie Infra-Rouge (IR), avant et après déprotection. Les pourcentages molaires d’AA ont été déterminés par combinaison des résultats de RMN et ii de titrages conductimètriques. A l’état solide, les échantillons ont été analysés par Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et par Diffraction des rayons X. Les solutions colloïdales des polymères pE-co-AA ont été caractérisées par Diffusion dynamique de la lumière et par la DSC-haute sensibilité. De la microscopie électronique à transmission (TEM) a permis de visualiser la forme et la taille des nanoparticules.

The first objective of this research is to synthesize random linear copolymers of ethylene and acrylic acid (AA). The synthesis relies on the deprotection of the functional groups in the copolymer’s precursor, which is represented by poly(ethylene-co-tertbutyl acrylate). The synthesis of the precursor was realized by the catalytic approach, where Pd-based catalytic systems are frequently utilized nowadays. The deprotection was carried out by hydrolysis of the ester functionality using trimethylsilyl iodide agent. The second objective is to investigate and characterize the synthesized polymers in the bulk and in colloidal solution. A set of different precursor polymers with various degrees of molar incorporation of tertbutyl acrylate (from 4 to 12 mol %) was successfully synthesized and deprotected. The resulting poly(ethylene-co-acrylic acid) copolymers were found to be soluble in tetrahydrofuran THF, when the molar incorporation of AA reaches the value of 12 and more. This aspect gave the possibility to study the self-assembly of this copolymer in aqueous medium by slow THF to water exchange (dialysis). It was found that the copolymers self-assemble into nano-sized structures and these nanoparticles remain stable in colloidal solution for extended periods of time. Moreover, it was shown that the nanoparticles formed by the discussed copolymer possess thermo- and pH-responsive behaviour. The polymers synthesized were characterized by nuclear magnetic resonance (NMR) and infrared spectroscopies (IR) before and after deprotection. The bulk samples were analyzed by conventional differential scanning calorimetry and by X-ray diffraction iv technique. The molar percentages of AA were determined using a combination of NMR and conductimetric titration. Colloidal solutions of pE-co-AA copolymers were analyzed by dynamic light scattering and high-sensitivity differential scanning calorimetry techniques. The nanoparticles formed were visualized and characterized by transmission electron microscopy.