Polymère

« Un élastomère est un polymère présentant des propriétés élastiques, obtenues après réticulation. Il supporte de très grandes déformations avant rupture. » (Élastomère, 2019,

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Polymère. La première fois le terme polymère a été utilisée en1833 par J. Berzelius.

Cependant, c’est dans les années 1930 que le concept de chaîne polymérique tel que nous l'entendons aujourd'hui a été établit par Hermann Staudinger, qui a obtenu le prix Nobel de chimie en 1953 (Mülhaupt, 2004 ; Ringsdorf 2004). Le polymère est un système formé par un assemblage de macromolécules, c'est-à-dire un système d'entités de grande dimension, qui sont obtenues par la liaison covalente d'un grand nombre d'unités répétées, appelées monomères. La taille et la conformation des macromolécules sont contrôlées par le placement topologique de monomères (linéaires, ramifiées ...) et aussi par les interactions qui se développent entre chacune de ces monomères et le milieu environnant.

Polydimethylsiloxane (PDMS). PDMS également connu sous les noms dimethicone et

l’huile methylsilicone fait partie au classe siloxanes (𝑅₂𝑆ⅈ𝑂ሻ (Kuo, 1999). La formule chimique de PDMS est la suivante :

−[(𝐶𝐻₃ሻ₂𝑆ⅈ − 𝑂 −]_𝑛

Où n est le nombre de répétition de monomère. Le polysiloxane possède des propriétés particulières grâce à sa structure moléculaire. Sa structure est simple, il est composé d’un squelette : alternance entre les atomes de silicium et d’oxygène, où les radicaux organiques (groupes méthyls) sont liés aux atomes de silicium (Figure 1.16). La chaîne polysiloxane a une grande flexibilité, grâce à un grand degré de liberté de rotation autour de la liaison Si-O. De plus la nature des liaisons covalentes Si-O du squelette est très stable, ce qui donne à ce polymère une stabilité thermique élevée. Son squelette inorganique est hydrophile, mais il porte des groupes organiques hydrophobe, ainsi le PDMS est hydrophobe. Il peut être sous trois formes, fluide (polymère linéaire à bas poids moléculaire), solide (polymère linéaire à haut poids moléculaire ou élastomère réticulé).

Figure 1.16 Molécule de Polydimetylsiloxane (PDMS) (Sigma Aldrich)

Réticulation. Pour obtenir un solide élastomérique, il faut mélanger les chaines de

polymère avec un agent de réticulation et laisser cuire. Pour le PDMS et réticulant du kit Sylgard 184, le rapport recommandé par le fabriquant est 10 pour 1, c’est-à-dire pour dix grammes de chaîne de PDMS il faut mettre un gramme d’agent réticulant, et ce ratio doit permettre la réticulation de la plupart des chaines sans trop d’excès de réticulant. La rigidité, le module d’élasticité du PDMS dépend de son état de réticulation, de concentration du réticulant et du temps de la cuisson. La concentration d'agent réticulant peut également affecter les propriétés de surface, qui à leur tour peuvent avoir des conséquences sur la réponse cellulaire (Brown et al., 2004).

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Le principal composant de l’agent réticulant sont des peroxydes, depuis des années quarante un certain nombre de types et de formulations de peroxyde ont été développés, qui sont thermiquement stables et efficace dans la réticulation. La réaction de réticulation consiste en décomposition des peroxydes en PDMS. Cependant, l’efficacité de chaque peroxyde dépend de sa température de décomposition du pourcentage d'oxygène actif. Généralement, plus le pourcentage de l'oxygène actif dans le peroxyde est élevé, moins il faut en rajouter aux chaînes de polymères. En fonction de type de peroxyde le processus de réticulation peut se faire de façons différentes. Le premier processus est fondé sur le fait que le peroxyde produit les radicaux polymériques, qui forment des liaisons carbone-carbone entre eux. Le deuxième processus est fondé sur le fait que le peroxyde extrait un hydrogène d'un méthyle du PDMS, par conséquent des groupes fonctionnels vinyle (R-CH=CH2) sont créés dans la chaîne polymèrique, ces derniers permet la réticulation du PDMS (Mani, 2011).

Avec la concentration de réticulant, le temps et la température jouent un rôle déterminant dans la réticulation, la rigidité du PDMS élastomérique obtenu en dépend (Fuard et al., 2008).

Viscoélasticité

Elasticité. (Figure 1.17B) L’élasticité est une propriété de matériau à revenir à son état

initial après une déformation. Pour les matériaux linéaires (purement élastique), en considérant un bloc de surface S et de longueur initiale 𝑙₀ Hooke a énoncé une loi :

𝜎 = 𝜀𝐸 (1. 23ሻ

Où 𝜎 est la contrainte 𝜎 =^𝐹

𝑆 (avec 𝐹 la force appliquée), 𝜀 est la déformation 𝜀 =^𝑙−𝑙0

𝑙0 (avec 𝑙 longueur finale) et 𝐸 le module d’Young. Le module de Young (𝐸) décrit l'élasticité à la traction, ou la tendance d'un objet à se déformer le long d'un axe lorsque des forces opposées sont appliquées le long de cet axe même. Plus le module d’Young de matériaux est élevé, plus ce dernier est rigide (Landau, Théorie de l’élasticité, 1990).

Viscosité. (Figure 1.17D) Pour un liquide visqueux la loi énoncée par Newton est

suivante :

𝜂 = 𝜏^ⅆ𝛾

ⅆ𝑡 ^{(1. 24ሻ}

Où 𝜂 est la viscosité dynamique, 𝜏 la contrainte de cisaillement, 𝛾 la déformation et 𝑡 le temps. Plus la viscosité est grande, plus l’écoulement est faible.

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Figure 1.17 Profils déformation-temps

A) La contrainte est appliquée à ta et est levée à tr B) Evolution de la déformation d’un matériau élastique linéaire C) Evolution de la déformation d’un matériau viscoélastique D) Evolution de la déformation d’un matériau visqueux. (Introduction to material science, University of Virginia)

Viscoélasticité. (Figure 1.17C) Le PDMS réticulé est un solide viscoélastique. Ce qui

veut dire qu’aux temps long il est visqueux, alors qu’aux temps court il est élastique. Un solide purement élastique après avoir été déformé, dès que l’on enlève la traction il revient à sa forme initiale, grâce à l’énergie stockée. En revanche une liquide purement visqueux s'écoule de manière irréversible. Le temps caractéristique entre le comportement solide et le comportement liquide est le temps de relaxation (τ). La relation entre la viscosité (η), le module d'Young (E) et le temps de relaxation (τ) est donnée par : 𝜂~𝐸𝜏.

Pour les matériaux viscoélastiques, le module d’Young est plus complexe, que pour les matériaux purement élastiques. Il a deux composantes, une élastique, qui est l’énergie stockée pendant la déformation (partie réelle 𝐸^′) et une visqueuse, c’est l’énergie dissipée (partie imaginaire 𝐸^′′). Le rapport entre contrainte et déformation est un nombre complexe :

𝐸^∗ = 𝐸^′+ ⅈ𝐸^′′ 𝐸 = |𝐸^∗| (1. 25ሻ

Module d’Young du PDMS. Il existe une différence significative dans le module

élastique (E) du PDMS de différentes concentrations (Carrillo et al., 2005). D’après Wang et al., le module d'élasticité, E peut être exprimé en fonction du rapport PDMS /réticulant, n, par : 𝐸 ≈²⁰

𝑛 𝑀𝑃𝑎. L'augmentation de la quantité d'agent de réticulation jusqu'à 20% rigidifie le réseau PDMS (Wang et al., 2014). Cependant, d'autres études montrent que pour les concentrations plus élevées de l'agent réticulant, le module est réduit, car les sites de réticulation sont saturés et l'excès de l’agent réticulant conduit à une dilution du réseau, réduisant ainsi la rigidité (Seo et al., 2013 ; Kim et al., 2011).

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Le module d’Young et la résistance à la traction des échantillons réticulés à basse température sont indépendants du temps de cuisson. Alors que le PDMS réticulé aux températures plus élevées se caractérise par une résistance mécanique plus faible. La résistance mécanique réduite peut être expliquée par la décomposition thermique des chaînes polymériques qui commence à environ 200 ° C (Liu et al., 2009).