Films multinanocouches de polymères amorphes coextrudés : élaboration, caractérisation et stabilité des nanocouches

Résumé : La coextrusion multinanocouche est un procédé innovant qui permet de combiner deux polymères afin de produire des films composés de couches alternées dont le nombre peut être contrôlé et atteindre plusieurs milliers. Ainsi, les épaisseurs des couches individuelles dans le film peuvent en théorie atteindre quelques nanomètres. Les effets de confinement des chaînes macromoléculaires ainsi que la multiplication des interfaces peuvent alors conduire à des propriétés macroscopiques améliorées, pertinentes dans un contexte industriel (optiques, mécaniques, barrière aux gaz, …). Néanmoins, à ces échelles, des défauts dans la continuité des couches peuvent apparaître pendant la mise en forme et affecter ces propriétés. L’objectif de cette thèse est d’identifier les paramètres clés, procédés et matériaux, et de mieux comprendre les mécanismes à l’origine des instabilités conduisant à ces inhomogénéités de la nanostructure. Dans ce cadre, deux polymères amorphes ont été principalement étudiés, le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) et le polystyrène (PS). Des films composés de 65 à plus de 8000 couches alternées, à différents taux d’étirage et compositions massiques, ont été fabriqués dans le but d’étudier la stabilité du procédé à différentes échelles et principalement à l’échelle nanométrique. Les films obtenus ont été caractérisés par microscopie, en particulier la microscopie à force atomique (AFM). Un premier travail a consisté à mettre en place une démarche statistique et quantitative pour caractériser l’épaisseur moyenne des couches obtenues, mais aussi la distribution d’épaisseur et la stabilité des couches. Puis, nous avons cherché à sonder l’effet de différents paramètres procédés et matériaux sur l’homogénéité des structures à l’échelle micronique. En se plaçant ensuite dans des conditions stables à ces échelles, nous avons cherché à faire varier de manière systématique les paramètres procédés pour étudier la stabilité des couches à l’échelle nanométrique. Nous avons mis en évidence l’existence d’une épaisseur critique en dessous de laquelle les couches rompaient, située autour de 10 nm pour le couple PS/PMMA. Lorsque l’épaisseur visée est de l’ordre de la dizaine de nanomètres ou inférieures, le taux de rupture de couches augmente également fortement. Des hypothèses sont faites quant aux causes de ces ruptures et de l’existence de cette épaisseur critique. Nous suggérons que ces ruptures peuvent être provoquées par des perturbations interfaciales (liées à des impuretés et/ou aux fluctuations thermiques) amplifiées par les forces de van der Waals qui deviennent non négligeables pour de faibles épaisseurs de couches (typiquement inférieures à 40 nm) et sont attractives entre deux couches de même nature. Des expériences modèles sont proposées dans la perspective d'une approche quantitative des conditions critiques d'apparition de ces défauts.
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Thèse
Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, 2016. Français. 〈NNT : 2016ENAM0059〉
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Contributeur : Abes Star <>
Soumis le : lundi 24 avril 2017 - 16:55:34
Dernière modification le : jeudi 24 mai 2018 - 15:58:09
Document(s) archivé(s) le : mardi 25 juillet 2017 - 17:08:10

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Adrien Bironeau. Films multinanocouches de polymères amorphes coextrudés : élaboration, caractérisation et stabilité des nanocouches. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, 2016. Français. 〈NNT : 2016ENAM0059〉. 〈tel-01513149〉

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