The effects of additives and chemical modification on the solution properties of thermo-sensitive polymers

Abstract

Cette thèse concerne l’étude de phase de séparation de deux polymères thermosensibles connus-poly(N-isopropylacylamide) (PNIPAM) et poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOZ). Parmi des études variées sur ces deux polymères, il y a encore deux parties de leurs propriétés thermiques inexplicites à être étudiées. Une partie concerne l’effet de consolvant de PNIPAM dans l’eau et un autre solvant hydromiscible. L’autre est l’effet de propriétés de groupes terminaux de chaînes sur la séparation de phase de PIPOZ. Pour ce faire, nous avons d’abord étudié l’effet de l’architecture de chaînes sur l’effet de cosolvant de PNIPAMs dans le mélange de méthanol/eau en utilisant un PNIPAM en étoile avec 4 branches et un PNIPAM cyclique comme modèles. Avec PNIPAM en étoile, l’adhérence de branches PNIPAM de à un cœur hydrophobique provoque une réduction de Tc (la température du point de turbidité) et une enthalpie plus faible de la transition de phase. En revanche, la Tc de PNIPAM en étoile dépend de la masse molaire de polymère. La coopérativité de déhydratation diminue pour PNIPAM en étoile et PNIPAM cyclique à cause de la limite topologique. Une étude sur l’influence de concentration en polymère sur l’effet de cosolvant de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau a montré qu’une séparation de phase liquide-liquide macroscopique (MLLPS) a lieu pour une solution de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau avec la fraction molaire de méthanol entre 0.127 et 0.421 et la concentration en PNIPAM est constante à 10 g.L-1. Après deux jours d’équilibration à température ambiante, la suspension turbide de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau se sépare en deux phases dont une phase possède beaucoup plus de PNIPAM que l’autre. Un diagramme de phase qui montre la MLLPS pour le mélange PNIPAM/eau/méthanol a été établi à base de données expérimentales. La taille et la morphologie de gouttelettes dans la phase riche en polymère condensée dépendent de la fraction molaire de méthanol. Parce que la présence de méthanol influence la tension de surface des gouttelettes liquides, un équilibre lent de la séparation de phase pour PNIPAM/eau/méthanol système a été accéléré et une séparation de phase liquide-liquide macroscopique apparait. Afin d’étudier l’effet de groupes terminaux sur les propriétés de solution de PIPOZ, deux PIPOZs téléchéliques avec groupe perfluorodécanyle (FPIPOZ) ou groupe octadécyle (C18PIPOZ) comme extrémités de chaîne ont été synthétisés. Les valeurs de Tc des polymères téléchéliques ont beaucoup diminué par rapport à celle de PIPOZ. Des micelles stables se forment dans des solutions aqueuses de polymères téléchéliques. La micellization et la séparation de phase de ces polymères dans l’eau ont été étudiées. La séparation de phase de PIPOZs téléchéliques suit le mécanisme de MLLPS. Des différences en tailles de gouttelettes formées à l’intérieur de solutions de deux polymères ont été observées. Pour étudier profondément les différences dans le comportement d’association entre deux polymères téléchéliques, les intensités des signaux de polymères correspondants et les temps de relaxation T1, T2 ont été mesurés. Des valeurs de T2 de protons correspondants aux IPOZs sont plus hautes.

This thesis focused on the phase separation of two well-known thermoresponsive polymers, namely PNIPAM (poly(N-isopropylacrylamide)) and PIPOZ (poly(2-isopropyl-2-oxazoline). Despite various studies of the two polymers, two aspects of their thermal properties remained unclear and needed to be investigated. One is the cononsolvency effect of PNIPAM in water and a second water miscible solvent. The other is the effect of the end group properties on the phase separation of PIPOZ. With this in mind, we first studied the effect of the chain architecture on the cononsolvency of PNIPAM in water/methanol mixture, employing a 4-arm star shape PNIPAM and a cyclic PNIPAM as model. Tethering PNIPAM arms to a hydrophobic core resulted in a reduced Tc (cloud point temperature) and a lower phase transition enthalpy change. The Tc of the star shape PNIPAM was inversely dependent on the polymer molecular weight. The dehydration cooperativity was depressed for the star PNIPAM and cyclic PNIPAM due to topological constraints. A study of the effect of polymer concentration on the cononsolvency of PNIPAM in water/methanol mixture revealed a macroscopic liquid-liquid phase separation (MLLPS) for PNIPAM in water/methanol mixtures of methanol molar fraction ranging from 0.127 to 0.421 at a polymer concentration of 10 g·L-1. The turbid suspension of PNIPAM/water/methanol separated into a polymer rich phase coexisting with a polymer poor solution phase after equilibration for two days at room temperature. The phase diagram showing the MLLPS for the PNIPAM/water/methanol mixtures was constructed based on experimental data. The droplets in the condensed polymer rich phase showed a dependence on the methanol molar fraction. Methanol affects the surface tension of the liquid droplets. The slow equilibrium kinetics of PNIPAM phase separation was sped up and a macroscopic liquid-liquid phase separation realized. In order to study the effect of end groups on the solution properties of PIPOZ, two telechelic PIPOZ end capped with perfluorodecanyl groups (FPIPOZ) and octadecyl groups (C18PIPOZ), respectively, were synthesized. The Tc values of the telechelic polymers were greatly reduced after end-functionalization. Stable micelles formed in aqueous solutions of the telechelic polymers. The micellization and phase separation of the telechelic polymers in water were studied. The phase separation of the telechelic PIPOZs in water followed a liquid-liquid phase separation mechanism. Differences in the sizes of droplets formed inside of the two polymer solutions were observed. To further investigate the differences in the association behaviour between the two telechelic polymer, NMR signal intensities and T1 and T2 relaxation times were examined. Higher 1H T2 values were obtained for the IPOZ unit in FPIPOZ than that in C18PIPOZ, indicating a higher mobility of the main chain in the FPIPOZ micelles than that in the C18PIPOZ micelles. Together with the 13C NMR and 19F NMR relaxation studies, we obtained better knowledge of the association properties of the telechelic PIPOZ in water. NMR relaxation studies proved to be efficient way of probing the solution behaviour of the polymers.