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Domaines de concentration du xanthane en solution

Chapitre 1 : Bibliographie

1.2. Polymères amphiphiles

1.3.3. Propriétés du xanthane en solution

1.3.3.1. Domaines de concentration du xanthane en solution

1.3.3.2.1. Viscosité intrinsèque du xanthane en solution 63

1.3.3.2.2. Courbes d’écoulement du xanthane en solution 68

1.3.3.3. Propriétés viscoélastiques du xanthane en solution 74

1.3.3.3.1. Influence de la température sur les propriétés viscoélastiques du xanthane 74

1.3.3.3.2. Influence de la concentration sur les propriétés viscoélastiques du xanthane 79

1.3.3.3.3. Superposition fréquence-température-concentration 82

1.3.3.3.4. Modèles d’organisation des chaînes en solution en régime semi-dilué enchevêtré 84

1.3.4.Modification chimique du xanthane 90

1.4. Conclusion 94

1.1. Introduction

Les polymères amphiphiles sont des macromolécules comportant une partie hydrophile et une

partie hydrophobe. Ils se caractérisent par des propriétés rhéologiques et interfaciales bien

supérieures à celles de leur homologue purement hydrophile. L’origine de ces propriétés s’explique

par l’organisation particulière adoptée par les chaînes amphiphiles en solution, qui est le plus souvent

régie par les interactions entre les chaînons hydrophobes, comme illustré dans la figure 1-1 :

Figure 1-1 : Exemple d’association de polymère amphiphile en solution.

La description du comportement rhéologique en solution de ces polymères fait l’objet de la

première partie de ce chapitre. L’influence de la conformation des chaînes sur les propriétés exhibées

est notamment décrite, ainsi que le modèle rhéologique, dit « modèle de la reptation collante »,

développé pour expliquer le comportement de ces systèmes en solution.

Il faut savoir qu’il existe de très nombreux exemples de polymères amphiphiles décrits dans la

littérature. Parmi eux, on peut citer le cas des polysaccharides amphiphiles, qui connaissent un essor

important depuis les années 1980

1

, du fait de leur abondance et de leur caractère biocompatible et

biodégradable. Néanmoins, peu d’études s’intéressent à l’impact de la conformation du squelette sur

les propriétés de ces polymères.

Afin de répondre à cette question, nous nous sommes intéressés au greffage de chaînons

hydrophobes sur le xanthane, un polysaccharide anionique hydrophile. En effet, ce dernier possède la

particularité de pouvoir exister sous deux conformations différentes

2, 3

en solution, suivant les

faible force ionique. De plus, l’adoption par les chaînes de l’une ou l’autre de ces conformations

impacte fortement les propriétés rhéologiques de ce polymère en solution. Ces caractéristiques du

xanthane sont décrites en détail dans la deuxième partie de ce chapitre.

1.2. Polymères amphiphiles

1.2.1. Définition et structure des polymères amphiphiles

Les polymères amphiphiles sont des macromolécules constituées d’une partie hydrophile et

d’une partie hydrophobe qui possèdent la capacité de s’organiser en solution aqueuse via des

interactions inter et/ou intramoléculaires entre les groupements hydrophobes. Ils appartiennent à la

classe des polymères associatifs, c’est-à-dire aux polymères ayant des groupements qui peuvent

former des microdomaines via des interactions physiques (liaisons hydrogène, hydrophobes,

ioniques, complexantes, etc.). Ces polymères présentent en solution une organisation de leurs

chaînes très différente de leurs homologues non associatifs. Ce phénomène est à l’origine de leurs

propriétés viscosifiantes et épaississantes majoritairement très supérieures aux polymères non

amphiphiles au-delà d’une concentration critique, appelée c

crit

. C’est pourquoi ils sont le plus souvent

employés comme agents épaississants dans de nombreux domaines, comme la récupération assistée

du pétrole

4

, la cosmétique, l’agroalimentaire ou encore la formulation de peintures

5, 6

.

Les polymères amphiphiles sont le plus souvent des copolymères, obtenus soit par

polymérisation

7-12

(radicalaire classique, par transfert d’électrons, en émulsion, etc.), soit par

modification chimique d’un squelette initial

13-18

. Du fait des très nombreuses méthodes d’obtention

de ce type de macromolécules, ils se caractérisent par une grande diversité architecturale. On peut

néanmoins les classer en deux catégories :

- Les copolymères à blocs, qui sont constitués d’un bloc hydrophile et d’un ou deux blocs

type de copolymère. Il s’agit de copolymères triblocs, composés d’une chaîne principale

hydrophile fonctionnalisée à ses deux extrémités par des groupements hydrophobes

4, 19, 21

.

- Les polymères de type peigne

19, 21

, qui comportent un squelette hydrophile porteur de

groupements hydrophobes latéraux, distribués tout le long de la chaîne. La répartition des

chaînons hydrophobes sur le squelette peut être plus ou moins contrôlée, suivant la méthode

de synthèse choisie.

Dans le cadre de cette étude, nous nous intéressons aux polymères amphiphiles de type peigne.

Afin de les décrire, nous utilisons les expressions suivantes dans ce manuscrit : les groupements

hydrophobes sont appelés chaînons latéraux, pendants, ou greffés ; le terme de densité de greffage

est employé pour désigner la quantité de chaînons hydrophobes dans la chaîne, quelle que soit la

méthode d’obtention du polymère ; les polymères de squelette identique aux macromolécules de

type peigne, mais sans groupements hydrophobes sont qualifiés de non modifiés/non greffés ou de

précurseur.

Dans le cas des polymères amphiphiles de type peigne, les greffons hydrophobes les plus

courants sont des chaînes carbonées ou fluorées

22, 23

, qui peuvent être linéaires

12, 24-26

, ramifiées

25, 27, 28

ou aromatiques

25, 29, 30

. Des chaînons constitués de polyéther

31

ou de poly(N-isopropylacrylamide)

32, 33

,

connus pour leur caractère thermo-associatif, sont également utilisés. Ce type de groupement ne sera

cependant pas étudié dans le cadre de cette thèse. Différentes répartitions des greffons sont

possibles le long du squelette hydrophile. En effet, ces derniers peuvent être disposés de manière

alternée, statistique, en blocs, ou encore être séparés de la chaîne principale par des espaceurs :

Figure 1-2 : Exemples d’architecture de polymères amphiphiles de type peigne

34

.

Le squelette hydrophile peut être un polymère neutre ou chargé

35, 36

. Il peut aussi être d’origine

synthétique ou naturelle. Les polysaccharides appartiennent à cette seconde catégorie. Il s’agit de

polymères constitués d’unités osidiques, reliées entre elles par des liaisons osidiques.

Historiquement, le premier polysaccharide amphiphile obtenu par modification chimique du

squelette est attribué à Landoll

1

, et consiste en une cellulose porteuse de chaînes époxyde alkylées.

Depuis ces travaux, la mise au point de dérivés amphiphiles à base de polysaccharides a connu un

essor important. En effet, les polysaccharides offrent l’avantage, par rapport aux polymères

synthétiques, d’être biocompatibles, biodégradables et issus de ressources naturelles et

renouvelables. En plus de la cellulose

1, 18, 37-39

, l’alginate

13, 14, 35, 40, 41

, le chitosane

15, 26, 42, 43

, le pullulane

24,

44-48

, le dextrane

17, 49-51

, le guar

52

ou encore l’acide hyaluronique

13, 43, 53, 54

ont fait l’objet de modification

chimique afin de leur conférer des propriétés amphiphiles. Les principales applications visées

concernent le domaine pharmaceutique et médical

43, 55

, avec par exemple la mise au point de

matrices pour l’encapsulation et la libération contrôlée de principes actifs

41, 48, 53, 56, 57

. Ces

polysaccharides peuvent également être utilisés en formulation, pour leurs propriétés émulsifiantes

et/ou interfaciales

35, 38, 45, 51, 58

, ou bien comme agent viscosifiant pour la récupération assistée du

1.2.2. Propriétés des polymères amphiphiles en solution

Les polymères amphiphiles possèdent la capacité de s’auto-organiser en solution du fait des

interactions hydrophobes entre leurs chaînons latéraux. Ces interactions peuvent être intra et/ou

intermoléculaires, et résultent en la formation de microdomaines constitués de groupements

appartenant à une ou plusieurs chaînes. La nature des interactions contrôle donc l’organisation et la

dynamique des chaînes, et par conséquent, les propriétés rhéologiques exhibées.

La description de ces propriétés fait l’objet de cette section. Plus particulièrement, on s’attache à

établir le lien entre les différentes organisations possibles en solution et le comportement observé.

De plus, il est possible de moduler la nature et la force des interactions hydrophobes et, par

conséquent, la conformation des chaînes en solution, suivant un certain nombre de paramètres

énoncés plus loin.

1.2.2.1. Propriétés viscosimétriques des polymères amphiphiles

1.2.2.1.1. Régime de concentration des polymères en solution

Le comportement en solution des polymères (associatifs ou non) est fortement régi par la

concentration et la masse molaire des macromolécules. Dans le cadre de ce travail, nous nous

intéressons aux polymères de masse molaire suffisamment élevée pour former des enchevêtrements

en solution. Pour cette catégorie de polymère, on peut définir trois régimes de concentration, comme

indiqué sur la figure 1-3 :

Figure 1-3 : Domaines de concentration de solutions de polymère (d’après Van Ruymbeke

59

).

En régime dilué, les chaînes macromoléculaires sont isolées et indépendantes les unes des

autres. Lorsque la concentration augmente, la distance entre chaînes diminue, jusqu’à ce que leurs

volumes hydrodynamiques s’interpénètrent. La concentration correspondant à ce phénomène est la

concentration critique de recouvrement c*. Elle marque le passage du régime dilué au régime

semi-dilué non enchevêtré, et s’accompagne d’une hausse de la viscosité

59, 60

.

Si l’on augmente encore la concentration en polymère, on atteint le régime semi-dilué

enchevêtré, régime dans lequel les chaînes commencent à s’enchevêtrer. La limite entre ce régime et

le précédent est définie par la concentration d’enchevêtrement c**. Cette dernière correspond à la

concentration à partir de laquelle les enchevêtrements deviennent élastiquement actifs, ce qui

confère à la solution des propriétés rhéologiques bien spécifiques (comportement rhéofluidifiant

marqué, propriétés viscoélastiques accrues).

Ces différents domaines se distinguent par des dépendances de la viscosité suivant la

concentration bien distinctes. Ce point sera développé en détail plus tard dans le manuscrit. De plus,

l’organisation adoptée par les chaînes en solution diffère selon le régime de concentration considéré

(cf. figure 1-4 A). Dans le cas des polymères sans interaction spécifique (autre que de volume exclu),

ces diverses organisations sont purement régies par des contraintes stériques/topologiques.

Les polymères amphiphiles de masse molaire élevée présentent également trois domaines de

concentration

61, 62

équivalents au régime dilué, semi-dilué non enchevêtré et semi-dilué enchevêtré

observés dans le cas des polymères non modifiés. Néanmoins, pour les polymères amphiphiles,

l’organisation des chaînes en solution est fortement impactée par les interactions hydrophobes. En

effet, ces dernières s’ajoutent, voire se substituent, aux contraintes topologiques. De plus, leur

caractère intra et/ou intermoléculaire est très dépendant de la concentration en polymère.

En règle générale, en régime dilué, les interactions sont essentiellement intramoléculaires

17, 27, 28,

63

, avec l’obtention d’agrégats constitués majoritairement d’une seule chaîne repliée sur elle-même.

Les chaînes adoptent, le plus souvent, des conformations plus compactes que leurs homologues non

modifiés. Par conséquent, la viscosité intrinsèque de solutions de polymères amphiphiles est le plus

souvent inférieure

17, 27, 28, 63

, et parfois égale

62

, à celle de polymères non modifiés correspondants.

Au fur et à mesure que la concentration augmente, les interactions intermoléculaires deviennent

privilégiées par rapport à celles intramoléculaires, du fait de la proximité de plus en plus importante

des chaînes. Le régime semi-dilué non enchevêtré est atteint lorsque les interactions

intermoléculaires sont en nombre suffisamment important pour créer des agrégats constitués de

plusieurs chaînes reliées entre elles par des microdomaines hydrophobes. La concentration associée à

ce phénomène est appelée concentration critique c

crit37, 46, 63-65

ou encore concentration d’agrégation

critique cac

12, 28

. Sa valeur est généralement inférieure à celle de la c* des polymères analogues non

amphiphiles. Cependant, pour certains systèmes, les deux concentrations sont identiques. C’est

pourquoi certains auteurs

61, 62

parlent de concentration de recouvrement pour qualifier c

crit

, ce qui

montre bien l’interdépendance entre les interactions intermoléculaires et la concentration.

Enfin, si la masse molaire est suffisamment grande, les polymères amphiphiles présentent

également un régime semi-dilué enchevêtré. Dans ce régime, les enchevêtrements topologiques

Tout comme en régime non enchevêtré, la viscosité augmente fortement avec la concentration mais

avec une dépendance différente du précédent régime.

Les différentes organisations en solution suivant le régime de concentration des chaînes de

polymères, amphiphiles ou non, sont schématisées sur la figure 1-4 :

Figure 1-4 : Organisation des chaînes en solution suivant le régime de concentration pour un polymère non

amphiphile (partie a) et un polymère amphiphile (partie b, d’après Van Ruymbeke

59

).

En outre, à partir du régime semi-dilué non enchevêtré, la viscosité des polymères amphiphiles

est très supérieure à celle de leurs homologues non modifiés

14, 28, 62, 66, 67

. Cette caractéristique

s’explique par le fait qu’au-delà de la concentration critique, les groupements hydrophobes, en

interaction entre eux de manière intermoléculaire, deviennent des « points collants » qui ralentissent

les mouvements des chaînes

68

. Cette notion sera développée plus longuement lors de la description

des propriétés viscoélastiques des polymères amphiphiles.

1.2.2.1.2. Comportement en écoulement des polymères amphiphiles

En régime dilué, le comportement en écoulement des polymères amphiphiles est de type

développées entre les greffons hydrophobes modifient les propriétés exhibées. Ce phénomène est

illustré sur la figure 1-5 :

Figure 1-5 : Influence des greffons hydrophobes sur le comportement en écoulement du chitosane à 2 g/L,

solvant : AcOH 0,3 M/AcONa 0,05 M (d’après Desbrieres et al.

26

).

Le chitosane présente un comportement newtonien sur toute la gamme de vitesses de

cisaillement. Le plateau newtonien est également observable pour l’échantillon CC10 (chitosane

substitué par une chaîne alkyle C

10

) mais sur une échelle de cisaillements beaucoup plus faible. Il est

suivi d’une zone de rhéofluidification à plus haut cisaillement. Ce comportement est provoqué par la

rupture des interactions hydrophobes sous l’effet du cisaillement et par l’alignement des chaînes dans

le sens de l’écoulement

24, 25, 52, 69

. Le caractère rhéofluidifiant est d’autant plus marqué que la longueur

des greffons hydrophobes est importante. Ainsi, dans le cas de CC12, la vitesse de cisaillement

critique, qui marque la limite entre le plateau newtonien et la zone de rhéofluidification, n’est pas

observable dans la gamme de cisaillements étudiée : le comportement du polysaccharide est

purement rhéofluidifiant. Le renforcement du comportement rhéofluidifiant peut également être

obtenu en augmentant par exemple la concentration en polymère

12, 63, 70

, la densité de greffage ou

Dans certains cas, pour des concentrations en polymère proches de c

crit

, on remarque une

augmentation de la viscosité

16, 25, 52, 62

sous l’effet du cisaillement entre le plateau newtonien et le

domaine de rhéofluidification. Ce comportement, qualifié de rhéoépaississement

34

, serait dû à une

modification de l’équilibre entre les interactions hydrophobes intra et intermoléculaires

16, 62

. En effet,

l’étirement des chaînes par le cisaillement détruirait les interactions intramoléculaires tout en

favorisant celles intermoléculaires, d’où l’augmentation de viscosité

34

.

1.2.2.1.3. Paramètres influençant les propriétés viscosimétriques des polymères

amphiphiles

Il est possible de moduler le comportement viscosimétrique des polymères amphiphiles en

solution suivant la nature intra et/ou intermoléculaire des interactions hydrophobes, mais également

suivant la force de ces interactions. De ce fait, il existe plusieurs paramètres, autres que la

concentration en polymère, permettant de contrôler les interactions hydrophobes : la nature et le

taux de chaînons hydrophobes, la nature du squelette hydrophile, l’architecture du polymère, la force

ionique du milieu et la température. Ces points seront abordés dans les paragraphes suivants. L’effet

des tensioactifs sur le comportement des polymères amphiphiles ne sera, par contre, pas décrit.

La force et la nature des interactions sont contrôlables via la densité de groupements

hydrophobes au sein du polymère, leur nature (chaînons carbonés ou fluorés), leur structure (linéaire

ou branchée) ainsi que leur longueur. En effet, les interactions sont renforcées lorsque le groupement

est ramifié

11, 25

, lorsque sa longueur

12, 65, 71, 72

et/ou ses proportions

12, 24, 26, 36, 57, 62, 73

augmentent, ou

encore en utilisant des chaînes fluorocarbonées

22, 23, 65, 69

au lieu de hydrocarbonées. L’ensemble de

ces modifications se traduit, au-delà de la concentration critique, par un comportement épaississant

accru

14, 26, 65, 72

.

Il est observé que la concentration critique c

crit

diminue lorsque la longueur des chaînons

augmente

12, 14, 26, 65, 71, 72

, ou quand le groupement hydrophobe est ramifié au lieu de linéaire

11, 25

. Par

ailleurs, les polymères amphiphiles fluorés présentent aussi des valeurs de c

crit

plus faibles que leurs

homologues hydrocarbonés

22, 23, 65

. De plus, en règle générale, la concentration critique décroît quand

la densité de greffage augmente

12, 14, 24, 26, 41

. L’hypothèse majoritairement admise pour ces

phénomènes est que les interactions intermoléculaires sont d’autant plus favorisées que

l’hydrophobie, la longueur et/ou la quantité de chaînons hydrophobes est importante.

Il est important de souligner que les polymères amphiphiles présentent un comportement

rhéologique particulier à partir d’une densité de greffage minimale de chaînons hydrophobes.

Cependant, cette densité ne doit pas dépasser une certaine valeur

17, 65, 69

, sous peine d’obtenir un

polymère avec des propriétés amoindries, voire insoluble dans l’eau. Ce constat est dû à la

compétition entre le caractère intra et intermoléculaire des interactions hydrophobes. En effet, à

partir d’une certaine densité de greffage, les interactions intramoléculaires deviennent de nouveau

majoritaires dans le milieu

36, 46, 65, 69

. Par ailleurs, une longueur minimale de chaînon hydrophobe,

généralement supérieure ou égale à 6 atomes de carbone, est aussi nécessaire afin d’obtenir des

propriétés associatives suffisantes

15

.

Bien que parfois mentionné

46

, l’impact de la rigidité du squelette hydrophile sur la nature intra

et/ou intermoléculaire des interactions hydrophobes n’a, à notre connaissance, été étudié que par

Inomata et al.

74

. Le polymère amphiphile examiné par ces auteurs est un polypeptide, le poly[N

5

-(2-hydroxyethyl)-L-glutamine] comportant des groupements latéraux alkyle C

12

, C

16

ou C

18

. Le squelette

hydrophile possède la particularité d’adopter deux conformations différentes en solution suivant le

solvant : une forme désordonnée de type pelote flexible dans l’eau, et une forme hélicoïdale dans

l’éthylène glycol. Les auteurs ont pu montrer, par fluorescence et rhéologie, que la conformation

rigide favorise les interactions de type intermoléculaire, quelle que soit la concentration en polymère.

Au contraire, pour le polypeptide sous forme pelote, la nature des interactions dépend de la

concentration : intramoléculaire à basse concentration, intermoléculaires au-dessus de la

concentration critique. Ces résultats mettent clairement en évidence l’influence de la rigidité de la

chaîne principale sur la nature intra/intermoléculaire des interactions hydrophobes.

Comme indiqué précédemment, les groupements hydrophobes peuvent adopter différentes

répartitions le long du squelette hydrophile. Cette répartition impacte directement les propriétés de

ces polymères en solution. En effet, il a été observé que les interactions hydrophobes sont renforcées

dans le cas de polymères ayant une structure de type blocs, par rapport à ceux ayant une répartition

statistique de leurs chaînons

8, 10, 25, 75

. Les polymères de type blocs se caractérisent ainsi par des

propriétés viscosifiantes plus importantes que leurs homologues statistiques. Par ailleurs, la présence

d’espaceurs

76, 77

permet de rendre les groupements hydrophobes davantage disponibles pour former

des interactions intermoléculaires, ce qui se traduit par des systèmes possédant un pouvoir

épaississant accru.

La concentration en sel dans la solution affecte aussi la force des interactions entre les chaînons

hydrophobes. Globalement, dans le cas de polymères amphiphiles non chargés, l’augmentation de la

force ionique favorise les interactions hydrophobes du fait d’un phénomène de « salting–out »

10, 12, 27,

69

: la présence de sel diminue la solubilité des composés hydrophobes au sein du milieu aqueux,

renforçant ainsi leurs propriétés associatives. L’influence de ce paramètre sur les propriétés dépend

de la nature des interactions hydrophobes, elle-même reliée à la concentration en polymère. Ainsi,

pour c < c

crit

, l’ajout de sel renforce les interactions intramoléculaires. La chaîne amphiphile est, de ce

fait, d’autant plus collapsée que la force ionique est élevée, ce qui se traduit par une viscosité

intrinsèque de plus en plus faible

27

. Pour c > c

crit

, le sel favorise les interactions intermoléculaires : la

en sel trop élevée peut rendre le polymère complètement insoluble dans l’eau, ce qui entraîne des

phénomènes de séparation de phases

27

. Le cas des polyélectrolytes amphiphiles est plus complexe.

En effet, il existe une compétition entre les interactions hydrophobes attractives et les répulsions

électrostatiques au sein de ces systèmes

16, 36, 65

. Par conséquent, leur comportement est très

fortement dépendant de la concentration en sel. Ce point ne sera cependant pas discuté dans le

cadre de ce travail.

L’impact de la température sur les propriétés viscosimétriques des polymères amphiphiles est, à

ce jour, sujet à débat. En solution, ces macromolécules se caractérisent soit par une hausse

12, 17, 69

, soit

par une diminution

10, 17, 32, 66, 71, 78, 79

de leur viscosité quand la température augmente. Ce

comportement dépend également du domaine de concentration étudié et de la densité de greffage.

Deux hypothèses opposées sont proposées pour expliquer ces résultats contradictoires.

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