Les copolymères à blocs contenant une partie souple et une partie dure constituent aujourd'hui une classe de matériaux très attractifs en raison de leurs propriétés résultant de la combinaison de deux homopolymères de nature différente. Dans le cadre des copolymères à blocs à forte teneur en polydiméthylsiloxane (PDMS), une méthode de synthèse originale en deux étapes, compatibilisation puis extension, a été développée. Respectueuse de l'environnement grâce à l'utilisation du procédé d'extrusion réactive, cette approche ouvre une nouvelle voie vers le développement d'élastomères thermoplastiques. L'objectif de cette thèse est d'élaborer à l'état fondu des copolymères à blocs à base de PDMS silicone à partir de la réaction époxy-amine puis, par une réaction d'allongement d'obtenir un matériau avec une forte proportion en PDMS. Dans un premier temps, une étude de la réaction époxy-amine sur molécules modèles a été réalisée à partir d'oligodiméthylsiloxanes α,ω- fonctionnalisés époxy et d'une alkylamine. Indépendamment de la température et du ratio molaire, la réaction a permis d'obtenir des copolymères greffés de type (A2B2)n. Dans un deuxième temps, cette stratégie a ensuite été appliquée à des systèmes polymères tels que le polyéthylène et le polyamide. A cette échelle, la réaction s'est produite et conduit à des produits de type (A2B2)n. Dans un troisième temps, l'ensemble des copolymères synthétisés ont été étudiés lors de la réaction d'allongement, basée sur l'insertion de siloxanes cycliques à l'aide d'une superbase. Dépendante de la température et de la quantité de catalyseur, cette réaction a été étudiée sur molécules modèles et sur des systèmes polymères / Nowadays hard-soft block copolymers consist of a very attractive material class because of their properties resulting of the combination of two different homopolymers. In the case of block copolymers with on a high polydiméthylsiloxane (PDMS) content, an innovative 2-step synthesis method, compatibilization and extension, has been developed. Using an environmental friendly route such as a reactive extrusion process, this approach opens a new synthesis pathway towards the development of thermoplastic elastomers. The goal of this thesis is to develop mass block copolymers based on PDMS using the epoxy-amine reaction, followed by an extension reaction to reach a material with a high percent of silicone. Firstly, a study of the epoxy-amine reaction on model molecules was carried out between a low molecular weight PDMS and an alkylamine. Independently of the temperature and the molar ratio, the reaction allowed to obtain graft copolymers with an (A2B2)n type structures. Secondly, this strategy has then been applied in polymer systems such as polyethylene and polyamide. At this scale, the reaction occurred and lead to products with (A2B2)n type structures. Thirdly, all synthesized copolymers were studied during the extension reaction, based on the insertion of cyclic siloxanes using a catalysis system. Depending of the temperature and the catalyst quantity, this reaction was investigated on model molecules and polymer systems

Le but de ce travail est de comprendre l'influence des nanoparticules de silice sur les transitions physiques de matrices polymères de nature différente : l'alcool polyfurfurylique (PFA), le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et le polydiméthylsiloxane (PDMS). Pour cela, les techniques d'analyse thermique conventionnelles (ATG, DSC, DMA) ont été couplées à des techniques atypiques (DSC multifréquence, FSC, UFSC).Dans le cas du PFA, les nanoparticules de silice ont entrainé une augmentation de la Tg ainsi qu'une amélioration des propriétés thermomécaniques. En outre, il a été démontré que la seule présence de silice suffit à favoriser les mécanismes de polymérisation. La cristallisation du PTFE à partir de l'état fondu a été étudiée pour la première fois sur une gamme de vitesse de refroidissement très large (jusqu'à 800 000 K.s-1). L'effet nucléant des nanoparticules de silice a également été mis en avant à faibles vitesses de refroidissement lors de l'étude de la cristallisation du PTFE chargé. Cependant, il s'est avéré qu'elle ralentit également la diffusion des chaines dans le milieu pour certaines vitesses. L'influence des nanoparticules de silice sur la transition vitreuse et la cristallisation du PDMS a finalement été étudiée. Les résultats ont montré que la silice n'induit pas d'effet significatif sur la transition vitreuse. D'autre part, la silice influence fortement la cinétique de cristallisation. Cet effet a été directement lié au fait que la silice favorise la nucléation sans influencer la diffusion des chaines. / The aim of this work is to understand the influence of silica nanoparticles on the physical transitions of different polymer matrix : polyfurfuryl alcohol (PFA), polydimethylsiloxane (PDMS) and polytetrafluoroethylene (PTFE). Thus, the conventionnal thermal analysis techniques (TGA, DSC, DMTA) were employed in correlation with atypical techniques (multifrequency DSC, FSC, UFSC). In the case of PFA, the silica nanoparticles led to an increase of the Tg and of the thermomechanical properties. Besides, it was demonstrated that the presence of silica is enough to realise faster the polymerization process. The crystallization from the melt of PTFE was investigated for the first time on a very large range of cooling rates (untill 800 000 K.s-1). The enhancement of the nucleation process at slow cooling rates due to the silica nanoparticles has been put in relief with the study of filled PTFE crystallization. Yet, it has been shown that it slows down the diffusion of the chains through the medium for some of the cooling rates. The influence of silica nanoparticles on PDMS glass transition and crystallization was finally studied. The silica nanoparticles don't induce any significative effect on the glass transition. It appeared that the nanoparticles strongly influence the crystallization kinetics. This effect is linked to the enhancement of nucleation process by silica without any effect on chain diffusion.

La catalyse de polycondensation des silicones, et notamment des élastomères vulcanisables à froid bicomposants, constitue un enjeu scientifique, environnemental et économique. Le dilaurate de dibutyl étain (DLDBE), classé CMR2, très largement utilisé dans l'industrie du silicone sera prochainement interdit par la nouvelle réglementation REACH. L'objectif de cette étude est donc d'étudier de nouveaux systèmes catalytiques des réactions de polycondensation. L'effet des différents constituants de la formulation (masse molaire du PDMS réactif, concentration en réticulant, concentration en catalyseur) sur la cinétique de réticulation et sur les propriétés finales a été étudié par combinaison des techniques de rhéologie, RMN et taux de gonflement. Principalement, ce travail consiste en l'étude approfondie de deux catalyseurs : une guanidine et un complexe de zinc et les résultats montrent que la construction des réseaux est plus ou moins différente selon la catalyse. En effet, un dérivé de l'étain conduit à une construction en deux étapes d'hydrolyse et de condensation, dont l'hydrolyse est d'abord favorisée. En comparaison, les complexes de zinc tendent à se comporter d'une façon très similaire, bien que l'hydrolyse des alcoxysilanes soit plus importante. Au contraire, une catalyse basique favorise très largement la condensation par rapport à l'hydrolyse. La guanidine réagit très rapidement avec les fonctions silanols. Ensuite, l'hydrolyse des alcoxysilanes se produisant dans une moindre proportion, le réseau tridimensionnel se construit. Ces travaux ont donc montré que le complexe de zinc étudié est un bon remplaçant du DLDBE / Silicones condensation catalysis, and more especially room temperature vulcanizable compounds, is a very important scientific, environmental and economic issue. The catalysis species, derivated from tin dilaurate, which are now classified as a CMR2 compound (toxic for reproduction), have been widely used in the silicone industry. The new REACH regulation is going to forbid its use very soon. This study aims to work on new catalytic systems. The influence of the components of the formulation on the kinetics and mechanical properties has been study by different methods: rheology, NMR and swelling measurements. More precisely, this work focuses on two catalysts: one guanidine and zinc complexes. Results have shown that the network construction depends on the catalysis. In fact, while using a tin compound, the construction occurs in two steps, in which hydrolysis is the most important. As a comparison, zinc complexes present the same behaviour as tin compounds even though the hydrolysis step is much more important. On the contrary, it’s known that basic catalysis enhances the condensation step. Then, the guanidine quickly reacts with the silanol functions. Then, in a second step, the alkoxysilanes hydrolysis occurs in a smaller proportion. The tridimensional network is getting built. This work mainly showed that zinc complexes can easily replace tin compounds

Dans l’optique de développement de matériaux performants avec une approche respectueuse de l’environnement, l’obtention de copolymères à blocs de type hard-soft avec une forte proportion de polydiméthylsiloxane (PDMS) en utilisant le procédé d’extrusion est une étape vers des élastomères thermoplastiques d’intérêt. Afin de s’affranchir de la faible réactivité des extrémités de chaînes des longues macromolécules, la voie originale mise en avant consiste en la réalisation de copolymères ayant une partie centrale PDMS courte puis en l’allongement de celle-ci selon les propriétés visées. L’étape critique d’allongement est effectuée à l’aide de bases phosphazènes comme agents de polymérisation de décaméthylcyclopentasiloxane (D5). Dans un premier temps, une approche chemio-rhéologique de la polymérisation du D5 à l’aide de ces superbases a été réalisée. L’acquisition des données intrinsèques de cette réaction permet de mettre au point la modélisation de l’évolution de viscosité du système en cours de réaction, vérifiant ainsi sa compatibilité avec l’utilisation de l’extrusion réactive. Dans un second temps, l’utilisation d’une architecture modèle de PDMS fonctionnalisé en bout de chaîne par des groupements chimiques volumineux de type naphtyl valide l’hypothèse d’allongement du chaînon central par insertion de D5 selon cette catalyse. Finalement, cette approche a été appliquée à des architectures macromoléculaires de type poly(styrène-b-diméthylsiloxane-b-styrène). Dans ce cas, les résultats sont, à cette heure, moins probants. Ceci est potentiellement dû à l’aspect procédé de nos manipulations. Cette dernière observation révèle l’intérêt de l’extrusion dans ce type de synthèse. / Nowadays the development of performing new materials using an environmental friendly route is a challenge. To produce hard-soft block copolymers based on a high polydimethylsiloxane (PDMS) content using reactive extrusion process is a milestone to reach thermoplastic elastomers. Because of the low reactivity of high molecular weight macromolecule chain ends an original route is described. It consists in the synthesis of copolymers containing low central PDMS and then increasing the molecular weight of this central part. This crucial step is performed using phosphazene bases as polymerization agents of decamethylcyclopentasiloxane (D5). Firstly, the polymerization of D5 by phosphazene bases has been investigated by chemiorheological means. To define intrinsic data of this reaction allows modelling the viscosity change during the chemical reaction. Thus, it is observed this polymerization system is compatible with reactive extrusion. Secondly, we investigate the hypothesis of increasing the molecular weight of a short central PDMS part in a triblock copolymer by D5 insertion using the catalysis system previously described. Naphtyl end-chain functionalized PDMS was used as a model. So we confirmed this route as an interesting one to achieve the targeted macromolecular architectures. Finally, we tried to produce poly(styrene-b-dimethylsiloxane-b-styrene) through this way. In this case, early investigations are not so convincing. This may come from the experimental device used. This last observation stresses out the great potential of extrusion process to implement such a route to reach thermoplastic elastomers based on high polysiloxane content.

Le but de ma thèse a été de concevoir des matériaux chimio-mécano répondants, des matériaux capables de permettre une transformation chimique réversible lorsqu’ils sont soumis à un stress mécanique. Tous les systèmes conçus ont été développés sur des substrats en silicone. Une première approche a consisté à créer des surfaces à sites cryptiques où une biotine est enfouie dans des brosses de chaines de poly(éthylène glycol). Le système streptavidine/biotine a été utilisé comme modèle. Ces surfaces sont anti-adsorbantes à la streptavidine sauf lorsqu’elles sont étirées à 50% où la biotine est reconnue mais les surfaces sont non réversibles. Dans une seconde approche, nous avons modifiés la surface du silicone par adsorption d’une multicouche de polyélectrolytes. Cette stratégie est basée sur la réticulation covalente du film par l’enzyme β-galactosidase modifiée. Nous sommes ainsi parvenus à créer une surface présentant une activité catalytique modulable par l’étirement mécanique, et ce, d’une façon partiellement réversible. Ce travail représente le premier exemple d’un système où une contrainte mécanique imposée à un matériau permet la déformation conformationnelle d’une enzyme et ainsi la diminution de l’activité catalytique. Dans une dernière approche, nous avons conçu un système mixte composé d’un substrat de silicone sur lequel un gel de polyacrylamide est greffée de façon covalente. Des enzymes ou des mécanophores pourront ainsi être inclus dans le réseau polymérique du gel de polyacrylamide et être étirés. Nous sommes parvenus à préparer de tels systèmes où l’hydrogel reste solidaire du film de silicone, sans apparition de craquelures jusqu’à 50%d’étirement. / The goal of my PhD was to develop new routes to design chemo-mechanoresponsive materials, materials that respond chemically to a mechanical stress, in a reversible way. All the systems designed during my PhD thesis were based on the functionalization of silicone sheets. First we created cryptic site surfaces by embedding biotin ligands into PEG brushes. The couple streptavidin/biotin was used as a model system. At rest, the surface so-prepared was antifouling and biotin ligands were specifically recognized by the streptavidin when the surface was stretched at 50%. Unfortunately, in this first approach, the mechanosensitive surface did not lead to a reversible process. In a second approach, we modified the silicone surface by using the polyelectrolyte multilayer (PEM) film deposition. This strategy was based on the covalent cross-linking of modified enzyme, the β-galactosidase, into the PEM. We succeeded in modulating the enzyme activity in the film under stretching and this approach appears as partially reversible under stretching/unstretching cycles. This work represents the first reported system where enzymatic activity can be modulated by stretching due to modulation of the enzyme conformation. In a last approach, we also designed a mixed system consisting of a silicone sheet onto which a polyacrylamide hydrogel is covalentlyattached with the goal to create a stretchable gel into which one can covalently attach enzymes or chemical mechanophores. These enzymes or mechanophores can thus be put under mechanical stress. We succeeded in creating a system that can be stretched up to 50% without detachment of the gel from the silicone and without inducing cracks in the gel.

Le classement de la famille des dibutylétains par l’Union Européenne comme reprotoxique et mutagène conduit les fabricants d’élastomères silicones à développer des solutions de remplacement de ces composés, largement employés comme catalyseur de réticulation. L’augmentation grandissante de la consommation de ce type d’élastomères amène à s’interroger sur leurs impacts dans les filières de traitement des déchets et sur l’influence du changement de catalyseur sur leur comportement environnemental. Ce domaine de recherche, très peu exploré, demande la mise en place d’une méthodologie spécifique, alliant des expériences de dégradations physico-chimiques et biologiques. Deux types d’élastomères simplifiés, réticulés par trois catalyseurs de polycondensation (un dibutylétain servant de référence et deux nouveaux) sont ciblés comme objet d’étude. Le premier axe, consacré à la matrice silicone, a permis de mettre en évidence une dégradation se déroulant en deux étapes successives, comme lors de la fin de vie de silicones fluides du type PolyDiMéthylSiloxane (PDMS). La première repose sur une hydrolyse chimique des chaînes siloxanes, formant majoritairement des oligosiloxanols (et principalement le monomère diméthylsilanediol) et des méthylsiloxanes cycliques (comme l’octaméthylcyclotétrasiloxane D4). La seconde est une biodégradation des sous-produits d’hydrolyse, aussi bien en aérobiose qu’en anaérobiose. Le second axe, consacré aux catalyseurs de polycondensation, prouve que ces composés prennent une place importante dans les mécanismes de dégradation. Ils impactent principalement les vitesses d’hydrolyse mais peuvent aussi influencer la nature des siloxanes relargués. De plus, ils ont des comportements totalement différents face à la dégradation biologique : ainsi, les catalyseurs organométalliques testés sont assimilables par les micro-organismes comme source primaire de carbone, alors que le catalyseur organique (un dérivé de guanidine) perturbe les métabolismes. Les composés biodégradables, même très peu mobiles en phase aqueuse, sont biodisponibles dans les élastomères et ont un impact sur la diversité des communautés bactériennes. Un champignon du genre Fusarium est d’ailleurs identifié comme capable de métaboliser une des nouvelles molécules développées. Le remplacement des dibutylétains permet de diminuer indiscutablement la toxicité des catalyseurs utilisés dans les élastomères silicones. La méthodologie mise en œuvre apporte de nombreuses informations quant aux impacts environnementaux et pourrait être transposée sans difficulté à l’étude d’autres matériaux. / Dibutyltin compounds are widely used as crosslinking catalysts in silicone elastomer industry. The classification of dibutyltins by the European Union as mutagenic and reprotoxic molecules lead manufacturers of silicone materials to develop alternatives. The increase of silicone elastomers demand requires to study their impacts during waste treatment and to assess the influence of the catalyst change on their environmental behavior. This unexplored area of research requires the establishment of a specific methodology, combining physico-chemical and biological degradation experiments. Two types of simplified elastomers are targeted in this study. They are crosslinked with three polycondensation catalysts: a dibutyltin derivative using as a reference and two new molecules. The first part, devoted to the silicone matrix, demonstrates a two stages degradation pathway in the environment. Silicone elastomers end-of-life is very similar to some silicone fluids, also known as PolyDiMethylSiloxanes (PDMS). The first stage is a chemical hydrolysis of siloxane chains, giving oligosiloxanols (mainly the monomer dimethylsilanediol) and cyclic methylsiloxanes (e.g. octamethylcyclotetrasiloxane D4). The second one is a biodegradation of hydrolysis by-products, in aerobic and anaerobic conditions. The second part, devoted to the polycondensation catalysts, demonstrates that these compounds play an important role in the degradation mechanisms. They mainly impact hydrolysis rates but also affect the nature of released products. In addition, they have a very distinct biological behavior: organometallic catalysts tested are assimilated as a single carbon source by microorganisms, while the organic catalyst (a derivative of guanidine) disrupts bacteria metabolism. Even if they have a limited mobility in the aqueous phase, biodegradable catalysts trapped in the silicone matrix are bioavailable and have an impact on bacterial communities. Moreover, a Fusarium fungus capable of metabolizing one of the new molecules developed is identified. The replacement of dibutyltin compounds undoubtedly reduces the toxicity of catalysts used to synthesized silicone elastomers. The methodology developed provides a lot of information about the environmental impacts of silicone elastomers and could be easily transposed to the study of other materials.

L’objectif de ce travail a été d’introduire des groupements fonctionnels au sein de chaînes polymère silicone pour former des assemblages supramoléculaires, dans le but de former de nouveaux matériaux. Tout d’abord, une étude approfondie de la bibliographie a permis de cerner les avantages et limitations de la réaction d’aza-Michael appliquée aux silicones. Cette étude a aussi permis d’acquérir de solides connaissances générales sur la réaction d’aza-Michael appliquée à des composés organiques aminé et de soulever des points peu ou pas traités tels que la sélectivité et la réversibilité de la réaction. Afin de comprendre et contrôler cette réaction, une étude modèle impliquant un PDMS aminé simple et l’acrylate de butyle a été réalisée. Plusieurs paramètres tels que la présence de solvants polaires protiques, de catalyseurs, ou une température élevée permettent de promouvoir la réaction. Des données cinétiques ont également mis en relief la possibilité de contrôler la sélectivité de la réaction sur un groupement amine primaire (mono- ou di-addition). Un composé 100% mono-adduit et un composé 100% di-adduit ont ainsi été synthétisé en choisissant soigneusement les paramètres expérimentaux. La réaction d’aza-Michael a ensuité été appliquée à un accepteur de Michael moins réactif, l’acide acrylique. Ce composé a la particularité de réagir instantanément et exothermiquement avec les amines par réaction acido-basique. Un déplacement de l’équilibre chimique de la réaction acido-basique vers la formation d’adduits de Michael a été rendu possible, générant ainsi des groupements zwitterioniques. Une étude approfondie de la réaction avec des amines organiques et des oligomères/polymères siliciés et aminés a été réalisée afin de déterminer la structure exacte des groupements fonctionnels obtenus et d’évaluer les propriétés visco-élastiques de tels produits. La dernière partie de ce projet a été focalisée sur l’étude et la caractérisation de ces matériaux silicones supramoléculaires s’échelonnant du liquide visco-élastique à l’élastomère silicone thermoplastique. / This PhD thesis was focused on the incorporation of functional groups onto the siloxane polymer backbone such that supramolecular assemblies are formed, in order to prepare new supramolecular silicone materials. First, an in-depth review of the aza-Michael reaction applied to silicon-containing compounds was realized, highlighting the whole potential of this addition reaction. The aza-Michael reaction applied to organic amines was thoroughly analyzed in order to emphasize some open issues such as selectivity or retro-aza-Michael reaction. In order to understand and master the aza-Michael reaction, a model reaction involving a bis-(3-aminopropyl)-terminated PDMS and butylacrylate was then fully investigated. Operating parameters such as protic polar solvents, catalysts or temperature allow promoting the reaction rate. Kinetic data showed that the selectivity towards the main formation of mono- or di-adduct can be controlled by carefully selecting the solvent nature and content. The syntheses of 100% mono- and 100% di-adduct compounds was succesfully achieved. The aza-Michael reaction was then applied to a less reactive Michael acceptor, i.e. acrylic acid. This unsaturated organic acid reacts instantaneously with amines by acid-base reaction leading to the formation of ionic pairs. This acid-base equilibrium is then shifted in the forward direction allowing the synthesis of zwitterionic groups by aza-Michael. The aza-Michael reaction of this peculiar Michael acceptor was thoroughly investigated both with simple organic amines and aminosilicone oligomers and polymers in order to elucidate the structures and to evaluate the rheological properties. Finally, supramolecular silicone materials bearing zwitterionic-like groups were prepared leading to supramolecular materials with properties ranging from visco-elastic liquids to thermoplastic silicone elastomers.