Synthèse de brosses de polyélectrolytes par polymérisation initiée depuis une surface de mica et étude de leur réponse en fonction du pH et de la force ionique

Abstract

Cette thèse rapporte le greffage chimique de brosses de polymères neutres de poly(acrylate de tert-butyle) (PtBA) et de brosses chargées d’acide polyacrylique (PAA) sur des substrats de mica afin d’étudier leur conformation en fonction de la densité de greffage, du pH et de la force ionique. Le greffage est réalisé par polymérisation contrôlée par transfert d’atome (ATRP) initiée depuis la surface de mica afin de contrôler la croissance du polymère et sa densité de greffage. L’étude de la conformation des brosses de PtBA et de PAA a été menée avec la technique AFM en mesurant les épaisseurs des films à sec et gonflés sous différentes conditions de solvant, de pH et de force ionique.

Une monocouche d’amorceurs est tout d’abord greffée sur du mica porteur de groupes hydroxyles créés par plasma (Ar/H2O). Cette couche a été caractérisée par des mesures d’angle de contact et par la technique TOF-SIMS. L’amorceur greffé a ensuite permis d’initier l’ATRP directement depuis la surface pour former des brosses neutres de PtBA liés de façon covalente au mica. La croissance linéaire de l’épaisseur du film avec la masse molaire du polymère en solution et le taux de conversion montre que la polymérisation est contrôlée. De plus, la ré-initiation des chaînes greffées atteste du caractère vivant de la polymérisation. L’hydrolyse des brosses de PtBA, confirmée par des mesures d’angle de contact, d’épaisseur et par FT-IR, conduit à des brosses de PAA. Les différentes couches greffées sont stables à l’air, en milieu organique et en milieu aqueux et leur gonflement est réversible. Le degreffage de la couche de PAA est observé suite à une longue exposition à pH basique. Cette étude représente le premier exemple de brosses greffées chimiquement sur du mica par polymérisation initiée depuis la surface.

La variation des paramètres de la réaction de greffage de l’amorceur, tels que la concentration et la durée de réaction, a permis de contrôler le taux de recouvrement de l’amorceur et la densité de greffage du polymère. Une grande gamme de taux de recouvrement de l’amorceur est accessible et se traduit par un intervalle de densités de greffage allant de faibles à élevées (e.g. 0,04 chaîne/nm2 à 0,5 chaîne/nm2). L’étude de la conformation des chaînes de PtBA dans le DMF montre que cet intervalle de densités recouvre le régime crêpe au régime brosse.

Le gonflement de brosses de PAA et la variation de la hauteur de la brosse L ont été étudiés en fonction de la densité de greffage, du pH et du sel ajouté cs (NaCl). Une transition brusque de collapsée à étirée est observée avec l’augmentation du pH, indépendamment de la densité de greffage. A pH neutre, les brosses sont collapsées et se comportent comme des brosses neutres en mauvais solvant. A pH basique, les brosses sont gonflées et chargées et se trouvent dans un régime de Pincus caractéristique des polyélectrolytes forts. En présence de sel, les charges sont partiellement écrantées et les répulsions électrostatiques dominent toujours dans la brosse. Cette étude contribue à une meilleure compréhension du comportement complexe des brosses de polyélectrolytes faibles et apporte un soutien expérimental à la théorie sur le comportement de ces brosses.

Neutral polymer brushes of poly(tert-butyl acrylate) (PtBA) and polyelectrolyte brushes of poly(acrylic acid) (PAA) were chemically grafted on mica in order to study their conformation as a function of grafting density, pH and ionic strength. The brushes were prepared via surface-initiated atom-transfer radical polymerization (SI-ATRP). This approach allows the control of the polymer growth and of the polymer grafting density. The study of brush conformation was investigated by measuring the dry and the swollen film thicknesses by Atomic Force microscopy (AFM) under various environmental conditions.

Mica substrates were activated by a plasma method leading to OH-functionalized surfaces to which a radical initiator was covalently bound using standard siloxane protocols. The initiator grafting on the mica substrate was confirmed by water contact angle measurements and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). The covalently immobilized initiator successfully underwent SI-ATRP with tert-butyl acrylate, yielding end-grafted PtBA brushes that are covalently linked to mica. A linear relationship of the polymer thickness with respect to the molecular weight of the free polymer and with respect to the monomer conversion is obtained confirming that SI-ATRP is well controlled. The PtBA brushes were then hydrolyzed to PAA as confirmed by water contact angle measurements, polymer thickness measurements and FT-IR. The grafted layers show a good stability in air, organic solvent and aqueous solution and a reversible swelling. Film cleavage is observed for long exposure time in basic solution. This study represents the first example of chemically grafted brushes on mica via SI-ATRP.

The polymer grafting density of poly(tert-butyl acrylate) was controlled by tuning the initiator surface coverage. By adjusting parameters such as the immobilization reaction time and concentration of the initiator, a wide range of initiator surface coverages and hence polymer densities on mica were possible ranging from 0.04 chain/nm2 to 0.5 chain/nm2).

The swelling behavior of PAA brushes was investigated as a function of the polymer grafting density, pH and ionic strength cs (NaCl). A sharp transition from collapsed to stretched conformation was found with increasing pH. At neutral pH, the brushes are collapsed and behave like neutral brushes in poor solvent. At high pH, the brushes are swollen and charged and belong to the Pincus regime. In the presence of salt, the Coulombic repulsions are screened. The observed behavior of PAA brushes resembles the one of strong polyelectrolyte brushes. This study contributes to a better understanding of the complex behaviour of weak polyelectrolyte brushes and brings experimental support to theoretical studies.