Estimation des interactions PHU-solvant par viscosimétrie

Les interactions entre le solvant et le polymère ont une grande influence sur le déroulement de la nanoprécipitation pour un système polymère/solvant/eau/tensioactif donné2, 3. Elles conditionnent la vitesse de diffusion du solvant vers l’eau et la durée de l’étape de croissance des nanoparticules4.

Initialement, nous souhaitions étudier les interactions PHU-solvant par diffusion statique de la lumière (SLS) en déterminant le second coefficient du viriel (A2) des solutions de PHU dans

THF W DS THF W DS

le DMSO ou dans le THF. Cependant, la faible masse molaire et l’indice de polydispersité élevé du PHU n’ont pas permis le tracé de diagrammes de Zimm.

Nous avons donc mesuré la viscosité cinématique de solutions de PHU dans le DMSO et dans le THF à différentes concentrations afin de déterminer la viscosité intrinsèque et le coefficient de Huggins du PHU pour ces deux couples polymère-solvant. Ces données renseignent sur les interactions PHU-DMSO et PHU-THF et permettent d’estimer la mobilité du solvant lors de sa diffusion vers la phase aqueuse au cours de la nanoprécipitation2. En particulier, le paramètre de Huggins indique la qualité du solvant vis-à-vis d’un polymère : une valeur comprise entre 0 et 0,5 est attribuée à un bon solvant, une valeur supérieure à 0,5 est attribuée à un mauvais solvant, et une valeur de 0,5 est attribuée à un solvant thêta26. Plusieurs auteurs indiquent que les solvants thêta sont les plus adaptés à la méthode de nanoprécipitation2, 27, 28. Lors de la nanoprécipitation, la diffusion d’un solvant thêta vers la phase aqueuse est rapide, ce qui permet une étape de croissance des proto-particules rapide et la formation de nanoparticules de petite taille.

III.1.2.1. Méthode expérimentale

La viscosité cinématique des solutions de PHU est mesurée à l’aide d’un viscosimètre capillaire Ubbelohde de dilution (figure 7).

Figure 7. Viscosimètre capillaire Ubbelohde de dilution.

A B Bulbe

Réservoir Pompe

Les caractéristiques des capillaires utilisés dans le cas du DMSO et dans le cas du THF sont indiquées dans le tableau 1.

Solvant utilisé DMSO THF

Type de capillaire I 0c

Marque, modèle LAUDA, modèle : EGV-923 LAUDA, modèle : EGV-921

Diamètre Ø = 0,63 mm Ø = 0,47 mm

Constante capillaire K = 0,0119 ± 9,5×10-5 mm²/s² K = 0,0036 ± 2,9×10-5 mm²/s² Tableau 1. Caractéristiques des capillaires utilisés.

Les capillaires sont plongés dans un bain marie à 25,0 ± 0,1°C. Des solutions mères à la concentration C en PHU sont préparées, filtrées (filtre 0,45 µm en PTFE hydrophile pour le DMSO et hydrophobe pour le THF) puis introduites dans le réservoir du capillaire. Chaque solution est pompée jusqu’à ce que le ménisque dépasse le point A situé au-dessus du bulbe du capillaire puis s’écoule le long du capillaire par gravité. Le temps t nécessaire au déplacement de la surface du liquide entre le point A et un point B situé en dessous du bulbe est mesuré. La mesure est réalisée trois fois. La viscosité cinématique η de la solution est calculée à partir de ce temps et de la constante du capillaire K (en supposant que la masse volumique de la solution est constante et égale à celle du solvant pur) :

𝜂 = 𝐾 × 𝑡 (1)

Les viscosités des solutions de concentration inférieures à la concentration mères sont mesurées par dilution directement dans le viscosimètre. Il est nécessaire d’attendre que les solutions soient homogènes avant de commencer chaque mesure.

La viscosité intrinsèque [η] peut être déterminée de deux manières : à partir de la viscosité réduite ηred ou de la viscosité inhérente ηinh. Dans le premier cas, la viscosité réduite est d’abord calculée :

𝜂𝑟𝑟𝑟 =¹_{C ×}^{η − 𝜂}_𝜂 ⁰ 0

(2)

Ensuite, à l’aide de l’équation de Huggins29, la viscosité intrinsèque [η] et le coefficient de Huggins k sont déterminés par régression linéaire :

Dans le second cas, la viscosité inhérente est d’abord calculée : 𝜂_𝑖𝑖ℎ= ¹_{C × ln � 𝜂}^η

0� ⁽⁴⁾

Enfin, à l’aide de l’équation de Kraemer30, la viscosité intrinsèque [η] et le coefficient de Kraemer k’ sont déterminés par régression linéaire :

𝜂_𝑖𝑖ℎ = [η] + k′ × [η]2× C (5)

III.1.2.2. Résultats et discussions

L’évolution des viscosités réduite et inhérente en fonction de la concentration en PHU est représentée sur la figure 8 dans le cas du DMSO et sur la figure 9 dans le cas du THF. La courbe de la viscosité réduite est approximée par une droite définie par l’équation 3. La courbe de la viscosité inhérente est approximée par une droite définie par l’équation 5. Le coefficient de détermination R² de chaque droite est supérieur à 0,98.

Figure 8. Evolution des viscosités réduite et inhérente de la solution de PHU dans le DMSO en fonction de la concentration en PHU.

y = 1,55E-04x + 3,06E-02 R² = 9,83E-01 y = -2,76E-04x + 3,06E-02 R² = 9,95E-01 0,0285 0,0295 0,0305 0,0315 0,0285 0,0295 0,0305 0,0315 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 η^inh (l/ g) η^red (l/ g) C (g/l) η red η inh

Figure 9. Evolution des viscosités réduite et inhérente de la solution de PHU dans le THF en fonction de la concentration en PHU.

Les valeurs des viscosités intrinsèques [η] et des différents coefficients k et k’ sont présentés dans le tableau 2.

A partir de ηred A partir de ηinh Solvant [η] (dl/g) k [η] (dl/g) k’

DMSO 0,306 0,17 0,306 -0,29 THF 0,210 0,82 0,210 0,24 Tableau 2. Résultats des mesures en viscosimétrie capillaire (T =25°C).

Dans le cas du DMSO, le coefficient de Huggins k est inférieur à 0,5 et le coefficient de Kraemer k’ est négatif, ce qui signifie que c’est un bon solvant du PHU26, 31. Dans le cas du THF, le coefficient de Huggins k est supérieur à 0,5 et le coefficient de Kraemer k’ est positif, ce qui signifie que c’est un mauvais solvant du PHU27, 32. Aucun solvant n’est un solvant thêta du PHU à 25°C.

La viscosité intrinsèque [η] de la solution de PHU dans le DMSO est supérieure à celle de la solution de PHU dans le THF. Dans une étude sur la nanoprécipitation du PLA à partir du THF ou de l’acétone, Legrand et al. observent que la taille des nanoparticules est plus élevée lorsque la viscosité intrinsèque de la phase organique est plus élevée2. La viscosité intrinsèque rend compte du volume hydrodynamique des pelotes de polymères dans le solvant en régime dilué. Plus ce dernier est important, plus la mobilité du solvant entre les pelotes lors de sa diffusion dans la phase aqueuse est lente, et plus l’étape de croissance des proto-particules est

y = 3,61E-04x + 2,10E-02 R² = 9,98E-01 y = 1,06E-04x + 2,11E-02 R² = 9,81E-01 0,0210 0,0220 0,0230 0,0240 0,0210 0,0220 0,0230 0,0240 2 3 4 5 6 η^inh (l/ g) η^red (l/ g) C (g/l) ηred ηinh

lente. Les valeurs des viscosités intrinsèques sont cohérentes avec les valeurs des paramètres de Huggins et de Kraemer.

Cette étude suggère qu’en régime dilué, la taille des nanoparticules de PHU devrait être plus élevée dans le cas du DMSO que dans le cas du THF.

III.1.3. Estimation des interactions PHU-solvant et solvant-eau par le