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Matériaux ultra-souples et hyper-élastiques à base de copolymères à brosse
Résumé
Les tissus biologiques sont des matériaux présentant un comportement à la fois ultra-souple et hyper-élastique. La réalisation de matériaux synthétiques mimant leurs propriétés mécaniques est aujourd’hui un véritable challenge.
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En effet, en raison d’un seuil limite de module d’élasticité créé par l’enchevêtrement des chaînes, l’utilisation de simples polymères linéaires ne permets pas d’obtenir de telles propriétés. C’est pourquoi, une stratégie visant à réaliser des matériaux à partir de copolymères à brosses a été développée. Ces matériaux présentant des comportements mécaniques similaires à ceux de tissus biologiques ont été obtenus par auto-assemblage de copolymères à blocs de type ABA. Dans le travail présenté ici et effectué en collaboration avec l’Université de Caroline du Nord de Chapel Hill et l’Université d’Akron, les blocs A se composent de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) linéaire et le bloc central B, d’une brosse de polydiméthylsiloxane (PDMS). Ces copolymères ont été synthétisés en faisant varier les fractions volumiques et les degrés de polymérisation de chacun des blocs. Leurs propriétés mécaniques, module d’élasticité et allongement à la rupture, obtenues lors d’essais de traction, dépendent particulièrement des paramètres moléculaires.Afin d’effectuer la corrélation entre les paramètres moléculaires et les propriétés mécaniques, l’étude de l’organisation structurelle de ces copolymères a été réalisée à l’aide de la microscopie à force atomique et de mesures de diffusion des rayons X (USAXS-SAXS). L’analyse des structures à l’état statique a permis d’établir l’architecture adoptée lors de l’auto-assemblage des copolymères à brosse, la conformation des brosses de PDMS dans la matrice ainsi qu’à l’interface avec le PMMA. Des analyses dynamiques in-situ ont également été réalisées par SAXS afin de définir l’évolution des structures au cours d’une déformation uniaxiale.L’ensemble des résultats obtenus a permis d’établir la corrélation entre les dimensions structurelles et les paramètres moléculaires. Ces résultats, obtenus à partir de l’état statique et sous étirement des échantillons, ont permis d’expliquer les propriétés mécaniques exceptionnelles de ces matériaux..Biological tissues are materials exhibiting both ultra-flexible and hyper-elastic behaviors. The creation of synthetic materials mimicking their mechanical properties is today a real challenge. In fact, due to a limit threshold of modulus of elasticity created by the entanglement of chains, the use of simple linear polymers does not make it possible to obtain such properties. This is why a strategy aimed at making materials from bottlebrush copolymers has been developed. These materials having mechanical behaviors similar to those of biological tissues, were obtained by self-assembly of ABA block copolymers. In the work presented here (carried out in collaboration with the University of North Carolina at Chapel Hill and the University of Akron), the A blocks consist of linear polymethyl methacrylate (PMMA) and the central block B, of a polydimethylsiloxane bottlebrush (PDMS) are investigated. These copolymers were synthesized by varying the volume fractions and the degrees of polymerization of each blocks. Their mechanical properties obtained during tensile tests, such as modulus of elasticity and elongation at break, depend mainly on molecular parameters. The study of the structural organization of these copolymers was carried out in order to correlate molecular parameters and mechanical properties, this using atomic force microscopy and X-ray scattering measurements (USAXS- SAXS). Analysis of the structures in the static state made it possible to establish the architecture adopted during the self-assembly of the brush copolymers, thus the conformation of the PDMS bottlebrushes in the matrix as well as at the interface with the PMMA. Dynamic in-situ analyzes were also carried out by SAXS in order to define the evolution of structures during uniaxal deformation. The correlation between the structural dimensions and the molecular parameters was established, thanks to all results obtained. These results, obtained from the static state and under stretching of the samples, made it possible to explain the exceptional mechanical properties of these materials.