Ce travail a porté sur la préparation de copolymères à blocs et l’étude de leur assemblage supramoléculaire basé sur des liaisons hydrogènes entre les motifs homocomplémentaires ou hétérocomplémentaires. La stratégie de synthèse était basée sur la combinaison de la polymérisation radicalaire contrôlée de type RAFT et de la chimie supramoléculaire. Dans le chapitre 2, nous avons développé une stratégie s'appuyant sur la conception d'agents RAFT portant des groupements de type thymine / diaminopyridine (DAP) capables de générer des copolymères en étoile de type « miktoarm » bien définis. Pour élargir le champ d’application de ces agents RAFT capables d’établir des liaisons H, nous avons également étudié, dans le chapitre 3, la préparation d’agents RAFT fonctionnalisés par des motifs présentant de très hautes constantes de liaison. Le couple Hamilton / barbiturate (log (K) ≈ 4-5) a été sélectionné pour générer de plus stables copolymères à blocs supramoléculaires. Afin d’élaborer des macromolécules originales aux hautes propriétés d’association et de simplifier la stratégie de la synthèse, nous avons finalement exploré la préparation de copolymères tribloc ABC supramoléculaires à base de PA11 (oligomères OPA11) dans le chapitre 4. L’introduction d'un groupe dithiobenzoate pertinemment choisi sur les oligomères conduit à l’obtention de macroagents RAFT qui permettent la préparation de copolymères tribloc ABC supramoléculaires, où A est semi-cristallin, B à l'état caoutchouteux et C à l'état vitreux. Les études sur l'incorporation de tels copolymères dans les réseaux époxy sont en cours. / This work dealt with the preparation and the study of supramolecular block copolymers based on hydrogen-bonding between homocomplementary or heterocomplementary stickers. The synthetic strategy was based on the combination of RAFT-mediated controlled radical polymerization and supramolecular chemistry. In the Chapter 2, we developed a strategy relying on the design of RAFT agents bearing thymine/diaminopyridine (DAP) recognition pairs and capable to grow well-defined miktoarm star supramolecular copolymers. To further extend the scope of H-bonding RAFT agents, in the Chapter 3, we also investigated the preparation of RAFT agents functionalized with motifs exhibiting very high binding constants. The Hamilton/barbiturate couple (log(K)≈4-5) was selected to generate more stable supramolecular block copolymers. Aiming at elaborating original associating macromolecules and at simplifying the strategy of synthesis, we finally explored the preparation ABC triblock supramolecular copolymers based on PA11 oligomers (OPA11) in Chapter 4. Ligation of a relevant dithiobenzoate group on the oligomers afforded oligomeric RAFT agents that allow for the preparation of ABC triblock supramolecular copolymers, where A is semi-crystalline, B in rubbery state and C in glassy state. Studies on the incorporation of such copolymers in epoxy networks are under progress.

Cette thèse rapporte l'étude de dispersions de nanotubes de carbone par des polymères, la mise en forme de films composites et l'étude de leurs propriétés mécaniques ou de conduction électrique. La première partie est centrée autour de l'utilisation de l'acide poly-acrylique (PAA), qui se révèle un excellent agent dispersant des nanotubes dans l'eau. Une étude des interactions entre le polyélectrolyte et les nanotubes en fonction du pH est réalisée afin d'identifier les conditions de dispersion optimale. La réalisation de composites pour de potentielles applications dans les encres et peintures conductrices révèle qu'un contrôle suffisamment fin de l'adsorption du PAA et de la stabilité de la dispersion permet l'obtention de films à la fois homogènes et conducteurs électriques. La seconde partie de ce travail concerne l'utilisation d'un copolymère à blocs, le SBM, possédant des propriétés remarquables d'auto-organisation pour la réalisation de composites par voie solvant à base de nanotubes. L'originalité du système réside dans le fait que le SBM est à la fois agent dispersant des nanotubes mais également matrice structurante. Ce travail montre que la structure adoptée par le copolymère, qui dépend beaucoup du solvant employé, influence directement les propriétés mécaniques du matériau. De plus, l'addition de nanotubes améliore sensiblement les performances du composite.

L'objectif de cette thèse est d'élaborer et de développer un type de membranes polymères qui peuvent se réparer de manière autonome en cas de fissures. Si elles ne sont pas détectées, ces fissures peuvent poser des problèmes notamment pour des applications médicales. Dans une première partie, une membrane polymère dynamique à base de micelles de copolymère tribloc ABA a été préparée. Le bloc "A" est représenté par le poly (styrene-co-acrylonitrile), copolymère bloc mécaniquement robuste, et un bloc "B" relativement mou et souple, le poly (ethylene oxide). Lorsqu'une pression est appliquée à la membrane, sa morphologie peut être ajustée grâce à la nature compressible des micelles, ainsi que les ponts dynamiques intermicellaires. Une gamme de porosités accessible peut être régulée par la pression et de manière à contrôler la performance de filtration. La même nature dynamique a également été utilisée pour montrer une réparation autonome entrainée par la pression. L'efficacité du processus de réparation dépend de la taille des fissures, de la valeur de pression et de la durée d'application de la pression. En utilisant la propriété d'auto-réparation de la membrane ci-dessus, le processus « Direct Mode Translocation » de nanoparticules a également été étudié. Quatre classes différentes de nanoparticules ont été utilisées avec diverses propriétés intrinsèques et extrinsèques. Les conclusions de ces travaux prouvent que les caractéristiques de taille, de forme et de surface des nanoparticules ainsi que la force exercée régissent le processus de translocation. Dans une seconde partie, un revêtement 2D et 3D réversible basé sur l'auto-assemblage de micelles de copolymère dibloc constitué d'un poly (methyl methacrylate) (PMMA) et du poly (n-octadecyl methacrylate) (PODMA) blocs a été développé. L'assemblage de micelles est réalisé par l'effet "Zipper", grâce aux longues chaînes pendantes du bloc PODMA. Le même effet "Zipper" permet d'enlever facilement le revêtement par lavage dans un solvant sélectif, donnant ainsi la possibilité de modifier la surface d'un substrat plusieurs fois de manière réversible. La cristallisation à température ambiante du bloc PODMA offre la possibilité d'avoir un revêtement auto-réparable thermiquement sans affecter la morphologie globale des micelles. Enfin, une dernière partie a été conceptualisée, dans laquelle l'auto-réparation se fait par « nano-gel » encapsulés et dispersés dans une membrane. Le « nano-gel » est à base d'un copolymère hydrophile en forme d'une étoile partiellement réticulée et qui doit être synthétisée par la technique de "Reversible Addition-Fragmentation Transfer" (RAFT) polymérisation. La synthèse d'un agent RAFT avec 4 bras pour la polymérisation a été accomplie, cependant, des travaux sont encore nécessaires pour valider la voie de synthèse vers la synthèse de « nano-gel » ainsi que son application pour le processus d'auto-réparation. / The objective of this thesis is to develop such kind of polymeric membranes which can repair themselves autonomously in an event of damage. Such damage in a membrane, if left undetected can pose serious health issues in some of the intended applications. In the first approach, a dynamic polymeric membrane based on ABA type triblock copolymer micelles has been prepared. The block “A” is represented by mechanically robust poly(styrene-co-acrylonitrile) copolymer while block “B” by relatively soft and flexible poly(ethylene oxide). When pressure is applied to the membrane, its morphology can be fine-tuned thanks to the compressible nature of micelles as well as intermicellar dynamic bridges. A range of porosities are accessible which can be regulated by pressure and thereby controlling the filtration performance. The same dynamic nature has also been utilized to display an effective pressure driven autonomous healing. The efficiency of healing process has been found to be dependent on the extent of damage, pressure value and time duration of application of pressure. Using the self-healing property of above membrane, “Direct Mode Translocation” of nanoparticles has also been studied. Four different classes of nanoparticles were used with varied intrinsic and extrinsic properties. The findings of the work prove that the size, shape and surface characteristics of the nanoparticles as well as the applied force govern the translocation process. In a second approach, a 2D and 3D reversible coating based on the self-assembly of micelles of diblock copolymer consisting of poly(methyl methacrylate) (PMMA) and poly(n-octadecyl methacrylate) (PODMA) blocks have been developed. The assembly of micelles is accomplished via so called “Zipper” effect, thanks to the long pendant chains of PODMA block. The same “zipper” effect plays the role of removing the coating easily by washing in a selective solvent, thus giving the ability to alter the surface of substrate for many times in reversible manner. The room temperature crystallization of PODMA block provides huge implications for a thermally assisted self-healing coating without affecting the global micelle morphology. Finally, another approach has been conceptualized in which self-healing occurs via encapsulated nano-gel dispersed within a membrane. The nano-gel is based on a partially crosslinked hydrophilic star shaped block copolymer which has to be synthesized by “Reversible Addition-Fragmentation Transfer” (RAFT) polymerization technique. The synthesis of a 4- arm RAFT agent for polymerization has been accomplished however ; a substantial amount of work is still needed to validate the synthetic route towards the nano-gel synthesis as well as its further application for the self-healing process.

Les poly (3-hydroxyalcanoates) (PHAs) sont des polyesters aliphatiques produits et accumulés par des bactéries en tant que réserve de carbone et d'énergie. Ils sont constitués d'unités β-hydroxyesters et possèdent des chaînes latérales de longueur variable, pouvant être fonctionnalisées. Ils possèdent des propriétés de biodégradabilité et de biocompatibilité; ceci leur confère de vastes possibilités d'utilisation dans le domaine biomédical, notamment pour la mise au point de systèmes de libération contrôlée de principes actifs. Dans cette optique, nous nous sommes intéressés à la synthèse de copolymères amphiphiles de différentes architectures à base de PHAs, ainsi qu'à l'étude de leurs propriétés d'auto-association en milieu aqueux. Une méthode simple et efficace permettant le greffage d'oligomères de poly (éthylène glycol) (PEG) a tout d'abord été mise au point grâce à l'utilisation de la chimie « click ». Une série de copolymères diblocs bien définis PHA-b-PEG a ainsi pu être synthétisée par cycloaddition de Huisgen catalysée par le cuivre (CuAAC). Les copolymères diblocs à base de PHAs à moyennes chaînes latérales (PHA-mcl) ont montré leur capacité à s'auto-associer en milieu aqueux et à former des micelles monodisperses présentant une concentration micellaire critique très faible. Par la suite des copolymères de type greffés PHOU-g-PEG ont été synthétisés par addition thiol-ène. Les analyses par cryo microscopie électronique à transmission (cryo-TEM) ont montré que dans ce cas les copolymères s'auto-associaient en structures vésiculaires, ou polymersomes. Enfin, la synthèse de copolymères amphiphiles greffés porteurs de chaînes perfluorées PHOU-g-(F;PEG) a permis l'obtention de structures auto-associées plus complexes. Le cryo-TEM a en effet révélé la formation de micelles multicompartimentées, c'est à dire possédant un coeur présentant une séparation de phase entre les domaines hydrophobes et les domaines fluorés. Des tests biologiques préliminaires ont montré la cytocompatibilité de ces micelles / Poly (3-hydroxyalkanoates) are natural aliphatic polyesters produced and accumulated by many bacteria as carbon and energy supply. They consist of β-hydroxy ester units, with pendant side chains of different lengths that can be functionalized. Thanks to their biodegradability and biocompatibility, they are promising polymers for biomedical applications, especially for controlled drug delivery systems. In this context, we aimed to synthesize PHA-based amphiphilic copolymers with different molecular architectures, and to study their self-assembly in water. First, a simple and straightforward method using click chemistry has been used to graft poly(ethylene glycol) (PEG) oligomers. A series of well-defined diblock copolymers PHA-b-PEG has thus been synthesized using copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC). Medium chain length PHA-based diblock copolymers have shown their ability to self-assemble into stable micelles having very low critical micelle concentrations. Afterwards, amphiphilic graft copolymers PHOU-g-PEG have been synthesized using thiol-ene addition. In this case, cryo-electron microscopy (cryo-TEM) analysis revealed that graft copolymers self-assembled into vesicular morphologies, i.e. in polymersomes. Finally, the synthesis of amphiphilic graft copolymers bearing perfluorinated chains PHOU-g-(F;PEG) was performed. After aqueous self-assembly, cryo-TEM shown the formation of multicompartment micelles, i.e. with a core displaying segregated hydrophobic and fluorophilic domains. Moreover, these multicompartment micelles have shown their cytocompatibility

La faible durée de vie des cellules solaires organiques constitue un frein à leur développement commercial. Dans ce contexte, ce travail de thèse a été consacré à l’amélioration de la résistance mécanique des cellules d’une part, et d’autre part à l’étude de leur stabilité chimique sous l’impact de la lumière. Concernant le premier axe de recherche, nous avons proposé la synthèse de nouveaux copolymères à blocs (P3HT-b-P(R)SS) susceptibles d’améliorer l’adhésion entre la couche active (P3HT:PCBM) et la couche qui transporte les trous (PEDOT:PSS) dans des dispositifs inverses. Puis, concernant le second axe de recherche, à savoir l’amélioration de la résistance à la lumière de la couche active des cellules, nous avons élucidé les mécanismes de dégradation des polymères et identifié celles de leurs propriétés physico-chimiques impactant leur stabilité. En combinant techniques analytiques et modélisation, il a tout d’abord été possible d’identifier les points faibles d’un polymère modèle, le Si-PCPDTBT. Puis, dans l’objectif d’établir une relation structure-stabilité, l’effet de la variation systématique du squelette conjugué et de la chaîne latérale du polymère a été étudié. Finalement, une analyse multi-échelle a été mise en oeuvre, allant de la stabilité de la couche active jusqu’à celle de la cellule solaire correspondante. Il a alors été montré qu’en choisissant judicieusement les matériaux de la couche active, les couches interfaciales, l’architecture et l’encapsulation des cellules, il était tout à fait possible d’atteindre des durées de vie supérieures à trois ans sans perte significative de performance électrique des dispositifs. / The commercial application of Organic Solar Cells is limited by their short operational lifetimes. In this context, this work has been devoted to the improvement of both the mechanical resistance of these devices and their chemical stability when exposed to light. Concerning the former, the synthesis of P3HT-b-P(R)SS block copolymers as adhesive materials has been proposed to improve adhesion between the active layer (P3HT:PCBM) and the hole transport layer (PEDOT:PSS) in inverted devices. In order to improve the photochemical resistance of the active layer, the second main objective of this project was to identify both polymer degradation pathways and the properties determining polymer stability. Firstly, analytical techniques and modelling have been employed to identify the weak structural points in model low bandgap polymer, Si-PCPDTBT. Then, a series of polymers with systematically modified backbones and/or alkyl side chains has been studied with the aim of establishing a relationship between chemical structure and stability. Finally, multiscale analysis was undertaken on the degradation of solar cells, going from the stability of separate active layers to that of complete devices. It was shown that judicious selection of device layers, architectures, and encapsulation materials, can lead to operational lifetimes over three years with no efficiency losses.

De nouvelles membranes synthétiques poreuses à morphologies et performances contrôlées ont été développées grâce à l'utilisation de copolymères à blocs. De telles macromolécules peuvent s'auto-organiser en structures de géométries bien définies et sont par ailleurs capables d'agir sur la courbure des interfaces. De nouveaux copolymères triblocs ABA, possédant un bloc central en poly(oxyéthylène) et deux blocs terminaux en poly(styrène), ont été préparés en utilisant une stratégie de synthèse originale fondée sur la combinaison de réactions de modification chimique des bouts de chaîne et d'une méthode de polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes. Les diverses morphologies formées par auto-assemblage de ces copolymères à blocs dans des films fins ont par la suite été étudiées en fonction de leur structure et de plusieurs paramètres opératoires (vitesse d'évaporation, concentration, ...etc). A partir de ces résultats, de nouvelles membranes modèles possédant des pores cylindriques organisés de dimension nanométrique calibrée et contrôlée ont été élaborées. De plus, la synthèse d'autres copolymères triblocs amphiphiles a été développée en adoptant une démarche multi-étapes intégrant une polycondensation. Ces copolymères sont constitués en leur centre d'un bloc hydrophobe en poly(éther imide) aromatique et pour leurs extrémités de blocs hydrophiles en poly(oxyéthylène). Des membranes à propriétés d'usage définies ont ensuite été conçues en maîtrisant leurs mécanismes de structuration, soit au moyen des paramètres du procédé, soit en introduisant des copolymères triblocs dans la formulation. Ces derniers ont été utilisés comme additifs afin de mettre à profit leurs propriétés d'auto-organisation interfaciale dans une solution de poly(éther imide) où se produit une séparation de phase induite par un non-solvant. Finalement, les performances de l'ensemble des membranes obtenues dans ce travail ont permis de valider les deux approches envisagées.

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.

On s'intéresse dans cette étude au potentiel de copolymères à blocs (BCP) de types PBA-b-P(MMA-co-DMA) et PBA-b-P(BA-co-DMA) en tant qu'additifs multifonctionnels nanostructurant la matrice thermodurcissable polyester insaturé de composites SMC et BMC. La nanostructuration de la résine polyester insaturé (UPR) est assurée par la ségrégation du bloc élastomère poly(acrylate de butyle), ainsi que par la miscibilité du deuxième bloc dans le réseau grâce à la bonne compatibilité des motifs diméthylacrylamide (auto-assemblage). Ces BCP sont tout d'abord étudiés en tant qu'agents renforçants et anti-retrait dans les composites SMC et BMC, en étant substitués et comparés aux additifs anti-retrait conventionnels PVAc et P(MMA-co-S) incorporés traditionnellement afin de compenser le retrait de la résine polyester. Ces additifs nanostructurants sont ensuite évalués en tant qu'agents de mûrissement des compounds SMC. La nanostructuration des BCP dans la résine UP réactive pouvant entrainer une importante augmentation de la viscosité (formation d'un gel), ces additifs pourraient peut-être constituer des agents de mûrissement plus efficaces que l'oxyde de magnésium couramment utilisé à cet effet. Une étude des matrices [UPR + BCP, UPR + PVAc et UPR + P(MMA-co-S)] est réalisée dans un premier temps, les composites BMC et SMC chargés par du carbonate de calcium et renforcés par des fibres de verre étant étudiés par la suite. En absence de charges et de fibres de verre (matrice seule), la nanostructuration est moins efficace que la macroséparation de phase des additifs conventionnels PVAc et P(MMA-co-S) pour compenser le retrait du réseau polyester. Dans un composite en revanche, la nanostructuration conduit à une compensation du retrait intermédiaire entre celles du P(MMA-co-S) et du PVAc. Au niveau de la matrice seule, la nanostructuration permet d'éviter une diminution conséquente de l'énergie de rupture du réseau polyester et permet même dans certains cas une amélioration significative de cette dernière, alors que les additifs conventionnels engendrent un effondrement de cette propriété. Cette différence est cependant beaucoup moins visible dans le cas des composites, les charges entrainant une fissuration prématurée de la matrice. Un composite nanostructuré peut tout de même présenter un renforcement significatif par rapport aux composites conventionnels lorsqu'il contient des nanovides compensateurs de retrait de tailles conséquentes qui améliorent la ténacité du matériau. En ce qui concerne le mûrissement d'un compound SMC par nanostructuration au cours du refroidissement (passage de la transition ordre-désordre), si l'augmentation de la viscosité d'un système réactif UPR + BCP semble suffisamment importante et abrupte, elle est cependant insuffisante en présence des charges ou alors intervient à une température trop faible en raison de l'influence de ces dernières sur la nanostructuration.

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.

Les poly(3-hydroxyalcanoate)s ou PHAs sont des biopolyesters linéaires biodégradables et biocompatibles synthétisés par des microorganismes bactériens en tant que réserve de carbone et d'énergie. Ils sont synthétisés par des bactéries à partir de ressources renouvelables et la diversité de leurs structures possibles se traduit par un large éventail de polymères ayant des propriétés mécaniques très différentes. Nous avons tout d'abord testé les capacités de production de PHAs de nouvelles souches bactériennes marines provenant de tapis microbiens de Polynésie française, en utilisant, entre autres, des substrats naturels comme l'huile de coprah, le glucose et l'acide oléique. Nous avons notamment montré que la souche Pseudomonas guezennei est capable de produire des PHAs avec des taux d'insaturation contrôlés et de masse molaire très élevée. Puis, des oligomères de PHAs fonctionnalisés de structures contrôlées portant des fonctions terminales alcynes ou alcènes ont été préparés par transestérification. Ces oligomères ont ensuite été utilisés pour l'élaboration par chimie click de copolymères amphiphiles greffés EPS-g-PHA avec des exopolysaccharides (EPS) bactériens. Enfin la dernière partie de ces travaux a consisté en la réalisation d'un support de croissance pour le développement de cellules souches pour l'ingénierie tissulaire combinant les propriétés mécaniques des PHAs et les propriétés hydrophiles et bioactives des EPS