End-functional poly(ether amic acid)s and poly(siloxane imide) multiblock copolymers, comprised of 2,2'-Bis[4-(3,4-dicarboxyphenoxy)phenyl]propane dianhydride (BPADA) / meta-phenylene diamine (MPDA) and hexafluoroisopropylidene-2-bis(phthalic acid anhydride) (6FDA) / meta-phenylene diamine (MPDA) polyimide segments, have been prepared and characterized to explore possibilities for controlling interface properties. Incorporation of polydimethylsiloxane (PDMS) components into polyimide backbone structures can yield advantageous properties such as low energy surfaces and low stress interfaces. End-functional BPDA/MPDA poly(amic acid) salts and poly(siloxane amic acid) salts were prepared in methanolic or aqueous tripropylamine solutions. The polymeric salts formed stable water solutions (or dispersions) and imidized in less than 10 minutes at 260°C. The water solubility and rapid imidization times are ideal for on-line processing. Thus, these materials can be used as sizing and interface toughening agents for fiber reinforced composite manufacturing. Epoxy-polyimide networks prepared from the amine functionalized polyimide with DER 331 epoxy resin and diamino diphenylsulfone showed microphase separation (100-300 nm inclusions) by transmission electron microscopy. Slight toughening of the cured epoxy with 9 weight % imide was observed with the imide as the included phase. Epoxy bilayer films of polyimide (amine end-functional and commercial Ultem™) and poly(siloxane imide) multiblock copolymers were prepared to evaluate the polymer-matrix interphase region. Atomic force microscopy (AFM) analysis of the bilayer films showed diffusion at the interphase for the bilayers prepared with the polyimides and the BPADA/MPDA block copolymers containing polyimide continuous phases. Poly(siloxane imide) multiblock copolymers comprised of 6FDA/MPDA polyimide structures are ideal candidates for controlling interfacial properties between silicon substrates layered with thin films for microelectronic applications. These high Tg materials offer an approach for obtaining reduced moisture absorption and low stress interfaces. Evaluation of the refractive indices of the block copolymer films showed a decrease with increasing siloxane content thus suggesting the possibility of lower dielectric constants. The polymer-metal interfacial properties were investigated for films cast on titanium and tantalum substrates. The results suggested a correlation between the surface hydroxyl concentration of the metal oxide layer with the interfacial properties of the cast poly(siloxane imide) block copolymer films. The surface hydroxyls were thought to hydrogen bond with the PDMS component of the block copolymer. Since the titanium substrate has a higher surface hydroxyl concentration than the tantalum, higher silicon concentrations were observed. The melt imidized end-functional polyimides and poly(siloxane imide) block copolymers produced thermally stable materials with 5% weight loss temperatures well above 400°C. However, the block copolymers showed slightly lower 5% weight loss temperatures as a function of siloxane content with a significant increase in char formation. Correlation of the upper glass transition temperatures with the imide segment length was consistent with findings noted for other phase separated randomly segmented block copolymers. Incorporating PDMS into the polyimide backbone structure has an effect on the bulk and surface properties. The bulk properties of the poly(siloxane imide) block copolymers were characterized using TEM. The morphologies were consistent with classical block copolymers. Surface properties of the block copolymer films as a function of PDMS content were investigated using angular dependent X-ray photoelectron spectroscopy at take-off angles of 15, 30, and 45°. Surface enrichment of PDMS content over that of the bulk was observed at all three sampling depths. Further evidence of this siloxane enrichment in the surface was demonstrated with water contact angle analyses. With as little as 5 weight % PDMS (<Mn> = 5000 g/mol) in the block copolymer there was over a 25% increase in the water contact angle over the polyimide control. The surface topography was influenced by the degree of phase separation and was characterized using AFM. The roughness factor was used to represent the data. It was found that the surface roughness increased with increasing PDMS content. / Ph. D.

Au cours de la dernière décennie, quelques (rares) exemples de copolymères à blocs présentant des liens supramoléculaires entre les blocs constitutifs ont été décrits. En raison du caractère réversible de l’association des blocs macromoléculaires, de tels polymères sont d’un grand intérêt pour le développement de matériaux nanostructurés, ayant des propriétés auto-cicatrisantes ou à processabilité améliorée. L’objectif principal de cette thèse est d’élaborer de nouvelles architectures supramoléculaires, en combinant la polymérisation RAFT et l’association spécifique par liaisons H des groupements thymine et diaminopyridine. La stratégie employée a consisté dans un premier temps en la synthèse d’agents de transfert et d’un amorceur radicalaire fonctionnalisés par des unités complémentaires thymine et diaminopyridine. Ces précurseurs ont permis de générer, par polymérisation RAFT, des polymères α- ou α,ω-fonctionnalisés de manière quantitative par ces motifs à liaisons H. L’auto-assemblage des blocs polymères ainsi obtenus a été mis en évidence par RMN 1H, AFM et par des mesures rhéologiques. Cette démarche a été adaptée dans un second temps à l’élaboration de copolymères greffés supramoléculaires hydrophiles, basés sur le complexe d’inclusion β-cyclodextrine/adamantane. / Over the past decade, some (rare) examples of block copolymers with supramolecular links between the building blocks have been described. Because the association between macromolecular blocks is a reversible process, such polymers are of great interest in the field of nanostructured materials, self-healing materials, or processing aid. The main goal of this work is to develop new supramolecular architectures, by a combination of RAFT polymerization and H-bonding. In a first step, several chain transfer agents and a radical initiator possessing complementary thymine or diaminopyridine H-bonding moeties were synthesized. These precursors were used to generate a panel of polymers α- or α,ω-functionalized with these H-bonding stickers in a quantitative manner. The self-assembly of the resulting polymer blocks was highlighted by 1H NMR, AFM and rheological measurements. This approach was subsequently adapted to the development of hydrophilic supramolecular comb-shaped polymers, based on the β-cyclodextrin/adamantane host/guest complexation.

Les copolymères à blocs s’auto-assemblent selon diverses morphologies nanostructurées. La morphologie initiale, composée de domaines localement ordonnés mais aléatoirement orientés, peut être modifiée (transition ordre-ordre) ou orientée par l’application d’un stimulus externe contrôlé tel qu’un champ électrique, magnétique ou de force. Nos travaux s’attachent à étudier les changements de structures de copolymères à blocs de type ABA durant et après l’application d’un cisaillement simple contrôlé à l’état fondu. Les copolymères étudiés sont : des polystyrène-bloc-polyisoprène-bloc-polystyrène contenant 14 %, 17 % et 22 % de styrène et un copolymère acrylique. Les premiers présentent une morphologie initiale cylindrique hexagonale (HEX) et possèdent une transition ordre-ordre vers la morphologie sphérique cubique centré (BCC) dont la température augmente avec le ratio styrène/isoprène. Le copolymère acrylique présente une morphologie lamellaire. Plusieurs techniques expérimentales permettant un suivi in-situ ont permis d’étudier les modifications de morphologies ainsi que les cinétiques qui leurs sont associées : couplage entre microscope optique à lumière polarisée et une platine de cisaillement, rhéomètrie, couplage diffusion des rayons X et platine de cisaillement. Dans le cas d’une morphologie HEX, l’application d’un cisaillement oscillatoire à forte déformation (LAOS) peut engendrer une orientation des cylindres selon la direction du cisaillement avec le plan (100) de l’hexagone parallèle au plan de cisaillement. Les conditions thermomécaniques que sont la température, la déformation et la fréquence de sollicitation se sont révélées être des paramètres clefs quant à la qualité de l’orientation finale. Des plages de conditions optimales ont été identifiées. La cinétique de cette orientation est également dépendante de ces paramètres. Pour une température donnée, le temps de structuration décroit en suivant une loi puissance lorsque la déformation ou la fréquence augmentent. En revanche, l’augmentation de la température rallonge le temps de structuration. Une étude d’échantillons post-mortem ayant subi divers traitements thermomécaniques a permis d’appréhender de possibles mécanismes d’orientation des cylindres. La sollicitation de matériaux présentant la transition ordre-ordre à proximité de leur TOOT a mis en évidence une augmentation de celle-ci par l’application d’un cisaillement. En ce qui concerne la morphologie lamellaire, en fonction des conditions de sollicitations, l’orientation des lamelles est soit perpendiculaire à la direction de cisaillement, soit parallèle à celle-ci mais perpendiculaire au plan de cisaillement. / Block-copolymers self-assemble into different nanostructured morphologies. Initial morphology, with locally anisotropic ordered domains, can be modified (order-order transition) or oriented through application of an external stimulus such as electrical, magnetic or mechanical field. Our work attempts to study the structural changes of ABA block copolymers during and after the application of a controlled shear in the molten state. The studied copolymer are: polystyrene-block-polyisoprene-block-polystyrene containing 14 %, 17% and 22 % of styrene and an acrylic copolymer. The formers show a hexagonally packed cylinder (HEX) morphology and an order-order transition to a body centered cubic (BCC) morphology at a temperature depending on the styrene/isoprene ratio. The acrylic copolymer shows a lamellar morphology. Several experimental techniques for in-situ monitoring were used to study morphological changes and the associated kinetics: rheology, coupling of polarized light optical microscopy and a shearing hot-stage and coupling between X-ray scattering and the shearing hot-stage. For a HEX initial morphology, applying a controlled large amplitude oscillatory shear (LAOS) can create an orientation of the cylinders in the shear direction with the (100) plane of the hexagon parallel to the shear plane. The thermomechanical conditions of temperature, strain and stress frequency were the key parameters of the final orientation quality and their optimal ranges were identified. The orientation kinetics is also dependent on those parameters. At a fixed temperature, the structuring time decreases following a power law when strain or stress frequency increase. Conversely, increasing the temperature also increases the structuring time. Post-mortem samples with different themomechanical history were studied to understand the orientation mechanisms of the cylinders. An increase of the TOOT of the materials under shear has been shown by shearing samples near the TOOT of quiescent state. Two possible orientations were highlighted for the lamellar morphology according to strain and stress conditions: perpendicular to the shear direction or parallel to the shear direction but, in both cases, perpendicular to the shear plane.

L’objectif du projet est de préparer de nouveaux copolyéthers hydrophiles biosourcés, non ioniques, pour des applications cosmétiques proches de celles du polyéthylène glycol (PEG). Le polytriméthylène éther glycol (PTEG), dont la structure ressemble à celle du PEG, a été synthétisé par polymérisation du 1,3-propanediol biosourcé (PDO) en catalyse acide. Parmi les catalyseurs testés, l’acide sulfurique est le plus approprié pour polymériser le PDO sans dégradation excessive. Pour augmenter la solubilité du PTEG dans l’eau, des copolymères associant des unités PDO et des unités hydrosolubles type isosorbide et glycérol ont été envisagés. Ainsi, nous avons montré que l’éthérification en catalyse acide entre l’isosorbide et le PDO (ou le PTEG) conduit à de nouvelles structures de copolyéthers que nous avons finement caractérisés par RMN et spectrométrie de masse. Ces copolyéthers ont des extrémités préférentiellement constituées d’unités isosorbide, du fait d’un différentiel de réactivité entre le PDO et l’isosorbide. En revanche, l’éthérification du PDO et du glycérol par catalyse à l’acide sulfurique ou par catalyse basique n’a pas abouti. En effet, dans le premier cas, on observe une très forte dégradation voire une réticulation et dans le deuxième cas, seule l’homopolymérisation du glycérol est observée. Pour compléter, la réaction entre du carbonate de glycérol et un oligomère de PTEG donne les dérivés souhaités, même si le milieu réactionnel reste riche en polyglycérol libre. Les produits les plus prometteurs de l’étude sont des copolyéthers de PDO et d’isosorbide, d’environ 600 g/mol, obtenus par éthérification en catalyse acide. Ces nouveaux copolyéthers ont des bouts de chaînes constitués d’unités isosorbide, sont hydrosolubles et ont une stabilité thermique améliorée par rapport aux PTEG. / The aim of this project is to prepare some new hydrophilic biobased copolyethers for cosmetic applications, similar to those of polyethylene glycol (PEG). Synthesis of polytrimethylene ether glycol (PTEG) which has a chemical structure close to the PEG was studied by polymerizing 1,3-propanediol (PDO) with sulfuric acid as catalyst. This acid catalyst is appropriate to promote the polymerization of PDO without excessive degradation. We tried to increase the solubility of PTEG in water by combining to PDO units hydrophilic monomers, such as isosorbide and glycerol, to the PDO units. We showed that etherification of isosorbide and PDO (or PTEG), in the presence of acid catalyst, gives new copolyethers structures, deeply characterized by NMR and mass spectroscopy. These copolyethers are preferably ended by isosorbide units due to different reactivity between isosorbide and PDO. The etherification of the PDO and glycerol with sulfuric acid results in a cross-linked and degraded product. Basic catalytic route favored the polymerization of glycerol on itself rather than the etherification on PDO units. We also grafted glycerol carbonate on PTEG oligomer but obtained a complex composition mixture rich in polyglycerol. The most promising products of the study are PDO and isosorbide copolyethers with a molar mass of 600 g/mol, obtained by etherification with sulfuric acid as catalyst. These copolyethers have chain ends constituted by isosorbide units, are water soluble and have a higher thermal stability compared to PTEG.

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.

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The Thesis describe my studies based on self-assembly and co-assembly of block copolymer micelles that I conducted at the Department of Physical and Macro- molecular Chemistry at the Charles University, Prague in the research group of my supervisor, Prof. Dr. Karel Procházka, DrSc. The Thesis based on my publications and consists of four parts. Here I studied the formation of polymeric nanoparticles in aqueous solutions formed by polyelectrolytes with hydrophobic backbones by a combination of several experimental methods. The achieved results enabled me to explain the structure and properties of studied self- and co-assembled nanoparticles and to outline the decisive trends of their behavior. The spontaneous formation, sol- ubility and stability of complex nanoparticles depend not only on the electrostatic attractive forces but also on the hydrophobic effects. As the enthalpy-to-entropy interplay is very complex, a number of external factors such as temperature, pH, salinity and concentration affect the assembling process and structure of formed nanoparticles. 1

This thesis focuses on employing a new patterning technique called block copolymer lithography to transfer the nano-porous pattern from the polymer template to the underlying oxide thin film. Nano-porous block copolymer films are produced by spin-coating polymer solution on wafers followed by annealing, UV exposure and development processes. Reactive-ion etching is then used to etch the oxide films based on the pattern of polymer template and the polymer is then removed. The obtained oxide microstructure is characterized by SEM, showing a nanomesh of microdomains with the same hole size and density as the initial block copolymer layer. The advantages of block copolymer lithography include uniform nanopatterning, cost efficiency and simple processing. The nano-porous oxide thin films could be used as hard mask for nanopatterning in microelectronics and for energy storage applications. / Denna avhandling fokuserar på användningen av en ny mönstringsteknik som kallas block-sampolymerlitografi som används för att överföra nano-porösa mönster från polymermaller till en underliggande oxidtunnfilm. Nano-porösa blocksampolymerfilmer framställs genom spinbeläggningspolymerlösning på skivor följt av glödgning, UV-exponering och utvecklingsprocesser. Reaktionjon etsning används sedan för att etsa oxidfilmerna baserat på mönstret av polymermaller och därefter blir polymeren avlägsnad. Den erhållna oxidmikrostrukturen karakteriseras av SEM, som visar en nanomesh av mikrodomäner med samma hålstorlek och densitet som det ursprungliga blocksampolymerskiktet. Fördelarna med block-sampolymerlitografi innefattar likformig nanomönstring, kostnadseffektivitet och enkel bearbetning. De nanoporösa oxidtunnfilmerna kan användas som en hard mask för nanomönstring i mikroelektronik och för energilagringsapplikationer.