Dispersions filmogènes de latex copolymères modèles. Relations synthèse-structure-propriétés

¹ CNRS, Laboratoire des Matériaux Organiques, BP 24, 69390 Vernaison, France ;
² CNRS, Organisation Moléculaire et Macromoléculaire, 94320 Thiais, France ;
³ INSA, Institut National des Sciences Appliquées, Lyon GEMPPM, URA CNRS 341, France ;
⁴ CNRS, Institut Charles Sadron, EAHP, 4, rue Boussingault, 67083 Strasbourg, France ;
⁵ CNRS, Centre de Physico-Chimie des Surfaces Solides, Laboratoire de Chimie Macromoléculaire, Ecole Nationale Supérieure de Chimie, 3, rue Werner, 68200 Mulhouse, France.

Résumé

Cette mise au point rend compte des travaux effectués par le groupe de laboratoires dans le cadre de l’action du CNRS "Dispersions Filmogènes" (Action Incitative Programmée du Programme Interdisciplinaire Matériaux). Trois séries de copolymères de styrène, acrylate de butyle et acide méthacrylique ont été préparés et caractérisés (taille et propriétés superficielles). L’une a été synthétisée selon un protocole "coeur-écorce" en deux étapes (semence de polystyrène) en présence d’un émulsifiant zwiterrionique ; la seconde, en trois étapes est préparée pratiquement en l’absence d’émulsifiant, en suivant un protocole de type coeur-écorce inversé, et la troisième en présence de tensioactifs copolymères à bloc polystyrène-polyoxyde d’éthylène. Les mécanismes de coalescence ont été étudiés en utilisant la seconde série de latex tout d’abord sous l’eau, ce qui a permis de démontrer l’effet des seules forces capillaires, puis avec évaporation de l’eau, démontrant l’effet dominant du processus d’évaporation. De nouvelles techniques ont été mises en oeuvres pour suivre certaines étapes de la coalescence ; la calorimétrie différentielle et la spectroscopie micro-ondes, qui permettent d’analyser le départ de l’eau libre et de l’eau liée, ainsi que la diffusion des neutrons qui montrent la formation au cours du processus de cristaux colloïdaux ordonnées et un processus de séparation de phase en deux étapes: l’une avec inclusions de particules de polymères dans l’eau, l’autre avec inclusions de membranes hydrophiles ou de poches hydratées dans une phase continue polymère. Enfin l’étude des propriétés micromécaniques dynamiques met en évidence le renforcement des films par un réseau nid d’abeille provenant des copolymères riches en acide méthacryliques à la surface des particules, ainsi que la tendance des particules de semences polystyrène à former des amas qui peuvent percoler sous l’effet de traitements thermiques et/ou mécaniques.

Abstract

This is a review paper of the work carried out by the group of laboratories in a C.N.R.S. program "Film forming Dispersions". Three series of copolymers of styrene, butylacrylate and methacrylic acid have been prepared and characterized (size and surface properties). One is according to a core-shell procedure in two steps (polystyrene seed) in the presence of zwitterionic surfactant, the second in three steps from an inverse core shell procedure practically without surfactant and the third in the presence of polystyrene-polyethylene oxide block copolymers as surfactants.

The mechanism of coalescence of latex from the second series was studied first inside a water bath demonstrating the effect of capillary forces alone, and then with water evaporation where the driving force comes from the water evaporation process. New techniques were applied to study various steps of the coalescence process : differential scanning calorimetry and microwave spectroscopy are able to follow the vaporization of free and linked water while neutron scattering experiments show the transcient formation or ordered colloidal crystals and a phase separation process in two phases with inclusion of polymers particle in water or with inclusion of hydrophilic membranes and islands in a continuous polymer phase. Finally dynamic micromechanical properties of the films are studied showing their reinforcement by a honeycomb network from the superficial methacrylic acid copolymers and the trend of the initial polystyrene seed particles to make clusters big enough to percolate upon thermal and/or mechanical treatments.