Bien que la polymérisation contrôlée ou vivante de chaînes flexibles soit bien établie, contrôler la polymérisation de monomères rigides, qui sont souvent synthétisés par polycondensation, reste un défi. Dans le présent travail est présentée la synthèse de poly(éthercétones) aromatiques basée sur les travaux de Hayakawa et al. De courts segments rigides ont été obtenus et polymérisés en présence de chaînes aliphatiques afin d'obtenir des poly(éthercétones) rigides flexibles. La longueur du bloc flexible est très courte et d'une taille spécifique. Ces polymères sont aussi appelés «polymères charnières» étant donné qu'ils ont tendance à se replier le long de la chaîne aliphatique, laquelle agit comme une charnière, sans pour autant entraîner une ségrégation de phase observable. Dans la présente étude, différentes longueurs de poly(éthercétones) aromatiques ont été synthétisées. Les structures aromatiques sont utilisées comme blocs rigides du polymère, alors que les chaînes aliphatiques de 4 à 10 atomes de carbone servent de segments flexibles. Ces longueurs de chaîne ont été choisies de façon à favoriser la cristallisation par repliement de chaîne. Les polymères obtenus ont été cristallisés et analysés en utilisant la diffraction des rayons X et la diffraction électronique. Finalement, l'effet de la chaîne flexible et du bloc rigide sur les résultats de la cristallisation, de la morphologie et de la cristallinité de ces polymères sera discuté.

En raison de la demande croissante pour de nouvelles formes d'énergie renouvelable au cours des dernières années, la recherche sur les matériaux organiques pour d'éventuelles applications en photovoltaïque a rapidement progressé. Ainsi, tout récemment, des performances intéressantes ont été obtenues à partir de dispositifs dont la couche active était constituée d'un mélange de [6,6]-phényl-C₆₁-butyrate de méthyle (PCBM) et d’un polymère semi-conducteur. Puis, dans le dessein d’améliorer les performances des matériaux organiques, les chercheurs ont ensuite tenté de moduler les niveaux d'énergie et la largeur de bande interdite des polymères conjugués. Une façon de parvenir à moduler les propriétés électroniques de ces molécules est d'utiliser une séquence de donneurs-accepteurs dans la chaîne du polymère. Le groupe de recherche du Dr Leclerc participe aussi activement à cette quête de nouvelles sources d'énergie. Entre autre, nous synthétisons et caractérisons des copolymères contenant des unités hautement déficientes en électrons, les quinoxalines, et des unités riches en électrons, les carbazoles. La polymérisation de plusieurs unités de quinoxaline portant des groupements substituants de nature différente nous a ainsi permis d’élaborer une famille complète de co-polymères semi-conducteurs. Nous évaluons ensuite l'impact de l'ajout de ces substituants par les propriétés électroniques et optiques afin d'identifier parmi les polymères synthétisés, ceux qui possèdent des propriétés adéquates pour des applications en cellules photovoltaïques. Pour terminer, les polymères sont testés en les incorporant dans la couche active des cellules photovoltaïques pour évaluer leurs performances. Des taux de conversion énergétique variant entre 1,24% et 3,37% ont ainsi été obtenus. Pour ces polymères, nous avons aussi réalisé plusieurs essais sur le type de solvant, le ratio polymère :PCBM, la nature de l’électrode ou, encore, sur l’ajout d’additifs pouvant permettre d’optimiser leur utilisation dans la fabrication des cellules photovoltaïques.

Depuis maintenant quelques années, les polymères conjugués ont suscité l’intérêt de la communauté scientifique en vertu de leurs propriétés semi-conductrices intéressantes. Récemment, les copolymères de thiéno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione (TPD) ont démontré des propriétés optiques et électroniques surprenantes. Ainsi, une partie de cette recherche traite de l’amélioration de ces copolymères par la substitution de l’atome de soufre du TPD par un atome d’oxygène ou de sélénium. Ce mémoire est divisé en cinq chapitres. Le premier offre une introduction générale du champ de recherche présentant les enjeux et mettant en contexte les objectifs principaux du projet. Les deuxième et troisième chapitres présentent quant à eux la synthèse des comonomères et copolymères modifiés relativement au TPD tandis que la caractérisation des copolymères est abordée au chapitre quatre. Finalement, un retour sur les travaux ainsi que les perspectives de ce projet se retrouvent au chapitre cinq.

La présente thèse traite trois thèmes principaux. Le premier volet concerne le contrôle de la cristallinité et la synthèse des polyéthersulfones avec incorporation de doubles liaisons comme espaceurs dans les chaînes du polymère en utilisant deux approches différentes : la polymérisation par métathèse des diènes acycliques (ADMET) et la polycondensation. L’ADMET a permis d’obtenir des copolymères de faibles polydispersités avec des doubles liaisons régulièrement réparties le long des chaînes du polymère. La polycondensation a permis d’obtenir des copolymères de configuration cis ou trans avec incorporation régulière ou aléatoire des doubles liaisons. Pour la synthèse par ADMET, un bloc rigide, terminé par des groupements allyliques, est polymérisé dans le dichlorométhane à l’aide de l’un des catalyseurs de Grubbs : Grubbs deuxième génération (G2) ou Hoveyda-Grubbs (HG). Concernant la polycondensation, on fait réagir un bloc rigide avec un segment flexible de configuration cis ou trans pour obtenir respectivement le copolymère cis ou trans. La diffraction des rayons X et l’analyse enthalpique différentielle (DSC) ont montré que l’isomère cis inhibe complètement la cristallinité alors que la forme trans la favorise. Le deuxième volet de ce travail repose principalement sur la polycondensation en un seul pot « one pot en anglais» qui a permis de contrôler les températures de transition vitreuse. La spectrométrie de masse MALDI-TOF a permis de démontrer que les copolymères obtenus avec variation du ratio bloc rigide/segment flexible sont de nature aléatoire et non des copolymères blocs. Le troisième et dernier thème de ce document concerne principalement le contrôle de l’hydrophilicité par une post-fonctionnalisation des copolymères à travers les doubles liaisons incorporées en utilisant les réactions thiol-ène clic. Le but étant de moduler les propriétés des copolymères pour les adapter à des applications bien définies. Pour une application dans la filtration membranaire par exemple, des chaînes hydrophiles ont été greffées à travers ces doubles liaisons pour augmenter l’hydrophilicité des copolymères. / This thesis deals with three main themes. The first component relates to the control of the crystallinity and the synthesis of polyethersulfones with incorporation of double bonds as a spacer in the polymer chains using two different approaches: ADMET (Acyclic Diene Metathesis Polymerization) and polycondensation reactions. ADMET leads to copolymers with low polydispersity index and double bonds regularly distributed along the polymer chains. Polycondensation allows obtaining directly cis or trans configuration copolymers with regular or random incorporation of the double bonds. For the synthesis by ADMET, a rigid block terminated by allyl groups is dissolved in dichloromethane and then polymerized using second generation Grubbs catalyst (G2) and Hoveyda-Grubbs catalyst (HG). Concerning the polycondensation reaction, a rigid block reacts with a flexible segment of cis or trans configuration to respectively give the cis or trans copolymer. X-ray diffraction and differential scanning calorimetry (DSC) showed that the cis isomer inhibits crystallization while the trans form favors it. The second part of this work is mainly based on the one-pot polycondensation reaction which allowed control the glass transition. MALDI-TOF mass spectrometry was used to show that copolymers obtained by the variation of the rigid bloc/flexible segment ratio are random and not block copolymers. The third subject of this document mainly concerns the control of the hydrophilicity by post-functionalization of copolymers through the double bonds incorporated using thiol-ene click reactions. The main goal is to modulate the properties of copolymers to suit well-defined applications. For example, for applications in membrane filtration, hydrophilic chains were grafted through double bonds to increase the copolymer hydrophilicity.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'objectif principal de ce travail de thèse est la synthèse et l'étude des propriétés en solution de nouveaux copolymères amphiphiles di- et triblocks à gradient de styrène et d'acide acrylique qui sont capables d'association réversible en milieu aqueux. Nous avons étudié la cinétique et le mécanisme de la polymérisation radicalaire contrôlée par l’intermédiaire d’un nitroxyde (NMP), afin de déterminer les caractéristiques quantitatives des réactions de terminaison réversible lors de ce processus. Puis la NMP a été utilisée pour la synthèse de deux architectures différentes de copolymère à gradient: copolymères di- et triblocs. L'auto-assemblage des copolymères à gradient dans l'eau a été étudiée par DLS, SANS et TEM. Les changements réversibles du nombre d'agrégation au cours des cycles de pH ont été observés. De plus, nous avons étudié l'effet du pH et de la force ionique sur les propriétés rhéologiques en solution de copolymères triblocs à gradient. Nous nous sommes également intéressés à synthétiser des brosses de polymère sur surface d'or et étudié leur propriétés pH et électro-sensibles en milieu aqueux. / The main goal of our work was the synthesis and the study of solution properties of novel amphiphilic di- and triblock-gradient copolymers based on styrene and acrylic acid which are capable of reversible association in aqueous solution. We studied the kinetics and the mechanism of nitroxide-mediated radical polymerization (NMP) in order to determine the quantitative characteristics of the reversible termination reaction in this process. Then NMP was employed to the synthesis of two different block-gradient copolymer architectures: di- and triblock-gradient copolymers. The self-assembly of the block-gradient copolymers in water was studied by DLS, SANS and TEM. The reversible changes of aggregation numbers in cycles of pH were observed. We also investigated the effect of pH and ionic strength on rheological properties of triblock-gradient copolymer solution. Then, we synthesized polymer brushes on the gold-coated surface and studied their pH- and electro-responsive properties in aqueous media.

Les copolymères poly (acétate de vinyle-co-alcool vinylique), désignés par PVA, sont des tensioactifs macromoléculaires obtenus par hydrolyse partielle de poly (acétate de vinyle)(PVAc). Si les propriétés tensioactives des PVA ont pu être corrélées aux caractéristiques moléculaires il n'en est par de même en ce qui concerne les associats du type nanogels présents dans les solutions aqueuses. L'objectif de cette thèse était de caractériser les nanogels par des techniques telles que la diffusion dynamique de la lumière, la chromatographie d'exclusion stérique et la viscosimétrie. 9 PVA, de degrés d'hydrolyse de 73 à 88 mole% et de degrés de polymérisation de 650 à 2500 ont été étudiés. Il est apparu que les nanogels présent dans les PVA de DH =73 mole% et formés par interactions hydrophobe-hydrophobe entre séquences acétate ont des tailles entre 20-40 nm, avec des fractions volumiques de l'ordre de 20-30%. La désagrégation des nanogels par formation de complexes avec des tensioactifs anioniques du type SDS et SDBS a ensuite été démontrée. En faisant appel à la technique de fractionnement par " point de trouble " il est apparu que les chaînes les plus riches en acétate et en particulier celles ayant des longueurs des séquences acétate importantes complexent plus de SDS.Des " copolymères modèles " du type copolymères diblocs PVAc-b-PVOH comportant une séquence hydrophobe PVAc et une hydrophile PVOH ont pu être préparés par polymérisation RAFT, suivie par une réaction click. Une étude préliminaire de la micellisation de tels copolymères a permis de montrer la très grande analogie entre micelles de copolymères à blocs PVAc-b-PVOH et les nanogels de PVA examinés précédemment.

Des masques polymères à porosité contrôlée sont fabriqués à partir de films minces de copolymères à blocs auto-organisés polystyène-b-polylactide (PS-PLA) et polystyrène-b-poly(méthacrylate de méthyle) (PS-PMMA). Les films doivent être réorganisés grâce à une exposition aux vapeurs de solvant (THF ou DCE) pour obtenir des cylindres perpendiculaires à la surface, dans le volume et arrangés de façon hexagonale à longue distance. L'extraction sélective des domaines minoritaires conduit alors à des films minces poreux de PS. La mise en place de nouvelles techniques de caractérisation (analyse des images AFM, analyse MEB de répliques de système poreux, ellipso-porosimétrie) a permis d'évaluer l'influence de nombreux paramètres (nature du substrat, épaisseur du film, mode de dépôt, nature du solvant, temps et mode d'exposition aux vapeurs du solvant, ...) sur la morphologie des films (surface, interface substrat/film, volume) et sur la cinétique de réorganisation. Des mélanges de copolymères à blocs A-B et d'homopolymères C (PS-PMMA/PLA, PS-PLA/PMMA, PS-PLA/PEO, PS-PEO/PLA, PS-PEO/PMMA, PS-PMMA/PEO) sont également étudiés. L'ajout d'homopolymères permet dans certains cas, d'améliorer la réorganisation des films de copolymères à blocs. Il permet également une augmentation des tailles caractéristiques du système. L'homopolymère C se localise au centre des domaines du bloc minoritaire B si χA-C> χB-C et χA-C > χA-B. Par exemple, dans le cas du mélange PS-PMMA/PLA, des cylindres perpendiculaires à la surface et organisés de façon hexagonale sont observés après exposition aux vapeurs de THF avec incorporation des domaines d'homopolymères PLA au centre des domaines de PMMA.

L’objectif de cette thèse est d’étudier la synthèse et les propriétés d’auto-assemblage en milieu aqueux de copolymères « intelligents » capables de former des agrégats supramoléculaires en réponse à deux stimuli : la température du milieu et la présence de dioxyde de carbone (CO[indice inférieur 2]). Pour cela, une gamme de copolymères diblocs amphiphiles composés d’un bloc hydrophile d’acrylate de polyethylèneglycol méthyléther) (PEGA) et d’un bloc stimulable contenant une distribution statistique d’unités PEGA et acrylate de diéthlèneglycol éthyléther (DEGA) (thermosensibles) et acrylate de diéthylaminoéthyle DEAEA (CO[indice inférieur 2]-sensible), a été préparée par polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes (NMP). Dans un second temps, il a été mis en évidence que la température ainsi que la présence de CO[indice inférieur 2] dans la solution influencent le comportement auto-associatif des copolymères dans l’eau. Par la suite, le bloc hydrophile a été remplacé par une séquence de dextrane, ce qui a permis de préparer de nouveaux copolymères diblocs fonctionnels, stimulables par la température et le CO[indice inférieur 2]. Dans ce cas, deux techniques de polymérisation radicalaire contrôlée (NMP et ATRP) ont été testées afin d’obtenir les copolymères possédant l’architecture la mieux définie possible.

Les copolymères diblocs poly(styrène)-b-poly(acide acrylique) présentent une microséparation de phase et s'ordonnent en phase sphérique, hexagonale ou lamellaire dans leur état solide. Dans l'eau, ces nanostructures gonflent sélectivement en conservant leur ordre à grande distance car l'eau pénètre dans les domaines de PAA sans affecter les coeurs de PS, hydrophobes et vitreux. La période des phases lamellaires et hexagonales dispersées dépend alors du degré d'ionisation des brosses de PAA, contrôlable via le pH. Le gonflement de ces structures est étudié par diffusion des rayons X aux petits angles (DXPA) et par cryofracture et microscopie électronique à transmission (FF-TEM). Nous utilisons ces propriétés de gonflement contrôlé pour préparer des nanocomposites ordonnés de copolymères et de nanoparticules minérales. Cette approche consiste en une incorporation sélective des nanoparticules dans les domaines de PAA des phases ordonnées en utilisant l'eau comme vecteur. Un modèle simple nous permet d'estimer l'équilibre des effets d'interactions et de confinement lors de l'incorporation des nanoparticules en fonction des paramètres (pH, morphologie, taille des particules). Nous vérifions expérimentalement ces résultats en utilisant des nanoparticules de silice et d'oxyde de cérium et par des analyses effectuées en DXPA et en FF-TEM sur la structure interne des systèmes hybrides dispersés ainsi que sur les nanocomposites finaux obtenus après séchage. Nous obtenons en particulier des structures lamellaires contenant jusqu'à 12% en volume de nanoparticules d'oxyde bien ordonnées. De tels composites sont prometteurs pour des applications en matériaux fonctionnels.