À présent, nous allons étudier l’influence de paramètres spécifiques au polymère en brosse sur le motif sec obtenu après séchage des gouttes : la concentration en polymère, la masse molaire du polymère, et son architecture.
V.4.1 Effet de la concentration
Le test de séchage de goutte est effectué pour différentes concentrations de polymère P1-7 introduit dans des suspensions CL diluées telles que cc “ 6, 5 ¨ 10´3 g/g et cL“ 6, 5 ¨ 10´4 g/g. Le volume des gouttes est 20 µL. Les résultats sont présentés sur la FigureV.13. Pour toutes les concentrations en polymère P1-7 testées, l’inhibition du motif anneau de café est effective, même aux plus faibles concentrations (cP 1´7 “ 10´6 g/g). Ceci est confirmé par les valeurs des paramètres d’irrégularité, sur la FigureV.13(b): p « 0, 3 quelle que soit la concentration en P1-7 ajouté.
A titre de comparaison, les valeurs typiques de concentrations en additifs tensioactifs -destinés à l’inhibition de l’effet anneau de café - trouvées dans la littérature sont de l’ordre de c “ 5 ¨ 10´3 g/g. La valeur la plus faible trouvée est 5 ¨ 10´4 g/g, obtenue en utilisant
(a)Gouttes séchées de suspensions CL contenant du polymère P1-7, de masse molaire 7 ¨ 106
g{mol, à différentes concentrations. cP 1´7 “ 2, 6¨10´5g/g est la concentration couramment utilisée en application pour le couchage du papier. R « 3, 5 mm.
(b) Paramètres d’irrégularité associés.
Figure V.13 – Effet de la concentration en polymère en brosse sur le motif anneau de café.
du SDS comme tensioactif ajouté, avec des concentrations en nanoparticules comparables à nos expériences [97, 109]. La quantité de polymère P1-7 nécessaire pour obtenir un dépôt homogène est donc beaucoup plus faible. En raisonnant en concentration molaire, cet effet est encore plus marquant : un ajout de 5 ¨ 10´4 g/g de SDS de masse molaire Mw“ 288 g/mol correspond à une concentration molaire de 1, 7 ¨ 10´3 mol/L. De même, dans nos expériences réalisées dans le paragraphe V.2.2, l’inhibition partielle de l’anneau de café est obtenue avec un ajout de Triton X-100 à cT rit“ 3 ¨ 10´4 g/g “ 4, 8 ¨ 10´4 mol/L, la masse molaire du Triton X-100 valant Mw “ 625 g/mol. Dans le cas des polymères en brosse, la concentration minimale efficace pour inhiber l’anneau de café par ajout de polymère P1-7 est cP 1´7 “ 10´6 g/g, soit 1, 4¨ 10´10 mol/L. Ainsi, il suffit d’une quantité extrêmement faible de polymère en brosse ajoutée pour obtenir une texture sèche très homogène. Par rapport aux techniques classiques, la technique d’inhibition de l’anneau de café par le polymère P1-7 évite l’ajout d’additifs à des concentrations importantes. Cette information est intéressante d’un point de vue fondamental mais aussi de façon plus pratique pour l’application industrielle de ce travail de thèse.
V.4.2 Effet de la masse molaire
Quel est l’impact de la masse molaire du polymère en brosse sur l’aspect du dépôt ? Cette question est également intéressante du point de vue industriel, car elle est liée au mode opératoire de synthèse des polymères en brosse, et du point de vue fondamental, pour la
compréhension des phénomènes mis en jeu.
Le polymère P1-7 est de masse molaire Mw “ 7 ¨ 106 g/mol. En utilisant d’autres polymères de la famille P1, de même nature chimique que le P1-7 mais de masses molaires différentes, nous pouvons étudier l’effet de ce paramètre sur le motif sec. Nous ajoutons à des suspensions CL diluées (cc “ 6, 5 ¨ 10´3 g/g ; cc “ 6, 5 ¨ 10´4 g/g) une concentration donnée de polymère en brosse cP 1 “ 2, 6 ¨ 10´5 g/g. Les polymères utilisés sont les P1-0.1, P1-0.3, P1-0.6, P1-7 et P1-10. La gamme de masses molaires correspondante est 105
à 107
g/mol. Les résultats de cette série d’expériences sont présentés FigureV.14(a).
(a)Gouttes séchées de suspensions CL contenant des polymères en brosse P1 de différentes masses molaires, à cP 1“ 2, 6 ¨ 10´5 g/g fixée. R « 3, 5 mm.
(b) Paramètres d’irrégularité associés.
Figure V.14 – Effet de la masse molaire du polymère en brosse sur le motif anneau de café.
L’inhibition de l’effet anneau de café par le polymère en brosse est obtenue à condition que la masse molaire du polymère P1 soit suffisamment élevée : Mw ě 3 ¨ 105 g/mol. En effet,
seule la suspension CLP1-0.1, contenant le polymère P1-0.1 de masse molaire la plus faible Mw“ 1 ¨ 105
g/mol, montre un motif sec de type anneau de café. La quantification de cet effet par le paramètre d’irrégularité confirme ces observations (voir FigureV.14(b)) : au-delà de Mwě 3 ¨ 105 g/mol, p est significativement plus bas que pour une suspension CL. p diminue lorsque la masse molaire Mw augmente, jusqu’à atteindre une valeur constante p « 0, 3 pour les plus hautes masses molaires. Il existe donc une masse molaire en-dessous de laquelle la suppression de l’anneau de café par le polymère en brosse n’est plus effective.
V.4.3 Importance de l’architecture
Une autre question est de déterminer si l’architecture originale des polymères P1 joue un rôle particulier dans l’inhibition des défauts de séchage.
Comparaison à un polymère linéaire de nature chimique proche et de grande masse molaire
Afin de tester le rôle de l’architecture en brosse du polymère P1-7, nous avons voulu effectuer des tests de séchage en incorporant aux suspensions de couchage un polymère linéaire « équivalent » au polymère en brosse P1-7. À cet effet nous avons choisi un polymère linéaire polyoxyéthylène (PEO) de nature chimique proche de celles des chaînes pendantes PEM1 et de haute masse molaire Mw “ 4 ¨ 106 g/mol, proche de celle du polymère P1-7. La FigureV.15 présente le résultat de l’incorporation du PEO à cP EO “ 2, 6 ¨ 10´5g/g dans une suspension CL diluée contenant cc “ 6, 5 ¨ 10´3 g/g de particules de carbonate de calcium et cL“ 6, 5 ¨ 10´4
g/g de particules de latex. La goutte a un volume initial V “ 20 µL. À la même concentration, l’ajout de polymère P1-7 conduit à une suppression totale de l’anneau de café (voir Figure V.13). Ici, le motif sec obtenu est un anneau de café. Ainsi, à cette concentration, ce polymère
FigureV.15 –Goutte séchée de suspension de couchage contenant du PEO à cP EO“ 2, 7¨10´5g/g. R« 3, 5 mm.
PEO linéaire de haute masse molaire n’est pas capable de supprimer l’effet anneau de café dans les suspensions CL. L’architecture en brosse du polymère P1-7 semble déterminante dans l’inhibition des défauts de séchage.
Expérience de défragmentation
Nous avons imaginé une autre expérience dite de « défragmentation » du polymère en brosse P1-7 pour confirmer ce résultat. À une suspension CL diluée telle que cc “ 1, 3 ¨ 10´3
g/g et cL “ 1, 3 ¨ 10´4 g/g sont ajoutées seulement les chaînes pendantes du polymère P1, c’est-à-dire les macromonomères PEM. A une suspension CL identique est ajouté seulement le squelette de P1-7, un copolymère linéaire d’acide acrylique et méthacrylique de même degré de polymérisation que le P1-7. A une dernière suspension CL sont ajoutés le PEM et le squelette de P1-7, non-assemblés. La Figure V.16(a)présente les résultats de séchage des gouttes de ces suspensions, de volume 20 µL.
1. Notons que le polymère P0-6, dont les chaînes pendantes sont des effectivement des PEO, permet d’inhiber efficacement le motif anneau de café dans les mêmes suspensions CL à cP 0´6“ 2, 6 ¨ 10
´5
(a) Gouttes séchées de suspensions CL contenant différents composants des polymères en brosse P1-7 à une concentration équivalente de cP 1´7“ 5, 4 ¨ 10´6 g/g. R « 3, 5 mm.
(b) Paramètres d’irrégularité associés.
FigureV.16
Les résultats sont très clairs : ni les chaînes pendantes seules, ni le squelette seul, ni les deux non-associés ne permettent l’obtention d’un dépôt homogène quand ils sont ajoutés à la suspension CL. Les dépôts obtenus sont similaires à celui de la suspension CL : ce sont des anneaux de café. L’inhibition du motif anneau de café n’est obtenue qu’avec l’ajout du polymère en brosse P1-7 entier à la suspension. Ces observations sont confirmées par les paramètres d’irrégularité p (Figure V.26) : seule la suspension CLP1-7 a un paramètre d’irrégularité significativement différent de celui de CL. L’inhibition de l’anneau de café est donc spécifique du polymère en brosse P1-7 et liée à son architecture.
V.4.4 Influence de la nature des particules
Nous pouvons nous questionner sur le caractère spécifique de l’action des polymères en brosse P1-7 vis-à-vis de la nature des particules en suspension dans la goutte. Il est intéressant fondamentalement et industriellement de savoir si leur rôle fonctionnel peut être transposé à d’autres suspensions colloïdales. Bien que les polymères en brosse étudiés aient été développés dans le but de leur utilisation dans les suspensions de carbonate de calcium exclusivement, nous allons dans ce paragraphe faire des tentatives d’élargissement de leur champ d’action initial. A cet effet nous allons tester leur action dans des suspensions minérales de talc, de kaolin et de dioxyde de titane que nous avons déjà utilisées au Chapitre III (voir paragraphe III.3.7).
Kaolin
En premier lieu, des suspensions de kaolin notées K de concentration ck “ 6, 1 ¨ 10´3 g/g ont été préparées. Les suspensions KP1-7 contiennent du polymère P1-7 à cP 1´7 “ 2, 4 ¨ 10´5 g/g. Nous rappelons que la plus grande dimension des particules de kaolin est de 400 nm environ. Des gouttes de 20 µL de K et KP1-7 sont déposées sur des lames de verre. Les résultats sont présentés sur la Figure V.17. L’observation des gouttes en réflexion montre que les polymères
Figure V.17 – Haut : gouttes séchées de suspensions de kaolin K (gauche) et KP1-7 (droite) de rayon R « 3, 5 mm. Bas : profils en coupe correspondants.
P1-7 induisent une très faible inhibition de l’effet anneau de café. L’interprétation de ces images en terme de paramètre d’irrégularité est compliquée car les plaquettes de kaolin réfléchissent la lumière. Nous trouvons toutefois un abaissement du paramètre p lié à la présence de polymère en brosse : ppKq “ 0, 58 et ppKP 1 ´ 7q “ 0, 37, ce qui confirme la diminution de l’effet anneau de café. Les profils d’épaisseur obtenus en profilométrie mécanique montrent également une réduction de la hauteur de la couronne extérieure dans les suspensions contenant du polymère en brosse P1-7. Pour la suspension K, cette hauteur vaut environ 17 µm ; pour la suspension KP1-7, elle vaut environ 13,5 µm. La présence de polymère en brosse dans la suspension de kaolin améliore donc son aspect final.
Talc
Intéressons-nous à présent aux suspensions de particules de talc, de taille 1 µm environ. Les suspensions de talc sont notées Ta et sont concentrées à cT a“ 5, 6 ¨ 10´3 g/g. Le polymère P1-7 est rajouté dans les suspensions TaP1-7 à la concentration cP 1´7 “ 2, 2 ¨ 10´5 g/g. Des gouttes de 20 µL de Ta et TaP1-7 sont déposées sur des lames de verre. Les résultats sont présentés sur la Figure V.18. Les images des gouttes séchées en réflexion montrent que les polymères en brosse réduisent l’effet anneau de café dans ces suspensions de talc : la zone déplétée en particules au centre de la goutte de gauche (suspension Ta) est réduite sur la goutte de droite (TaP1-7). La profilométrie mécanique révèle aussi une faible diminution de
FigureV.18 – Haut : gouttes séchées de suspensions de talc Ta (gauche) et TaP1-7 (droite) de rayon R « 3, 5 mm. Bas : profils en coupe correspondants.
l’épaisseur de l’anneau externe : il passe de 5 µm pour la suspension Ta à 4 µm environ pour la suspension TaP1-7. Les polymères en brosse contribuent ici encore à l’obtention d’un dépôt final plus homogène.
Dioxyde de titane
Passons au cas des suspensions de dioxyde de titane. Nous rappelons que leur rayon est d’environ 150 nm. Ces suspensions sont notées Ti et sont concentrées à cT iO2 “ 7, 5 ¨ 10´3
g/g. Des suspensions TiP1-7 sont préparées avec différentes concentrations de polymère P1-7 ajouté. La FigureV.19présente les résultats des tests de séchage de ces suspensions effectués avec des gouttes de volume 20 µL sur des lames de verre. Les polymères P1-7 provoquent
FigureV.19 – Gouttes séchées de suspensions de dioxyde de titane, Ti et TiP1-7, contenant des polymères P1-7 à différentes concentrations. R « 3, 5 mm.
une inhibition du motif anneau de café extrêmement puissante, et ce même à très faible concentration (cP 1´7 “ 10´6 g/g), tout comme dans les suspensions de couchage à base de carbonate de calcium. Aux plus hautes concentrations en polymère P1-7, l’effet est poussé jusqu’à observer une accumulation de particules au centre (anneau de café « inverse »).
Pour mieux caractériser cet effet, la profilométrie mécanique des gouttes séchées des suspensions Ti et TiP1-7 avec cP 1´7 “ 3 ¨ 10´5 g/g est effectuée. Les profils d’épaisseur expérimentaux sont représentés sur la Figure V.20. La suppression de l’anneau de café est
FigureV.20 –Haut : gouttes séchées de suspensions Ti (gauche) et TiP1-7 (droite : cP 1´7“ 3¨10´5
g/g). R « 3, 5 mm. Bas : profils en coupe correspondants.
confirmée de façon extrêmement claire, à la fois par les paramètres p et les profils. La suspension Ti présente des pics au niveau de l’anneau externe, très fins et de hauteur 17 nm environ. En dehors de cet anneau l’épaisseur du dépôt est très faible, inférieure à 1 µm dans la région centrale. Dans la suspension TiP1-7, les pics du bord ont une hauteur très réduite, d’environ 6 nm. Le reste du dépôt présente une épaisseur assez irrégulière, avec des fluctuations de 1 à 4 µm, mais constitue un ensemble de hauteur comparable. Ces expériences nous prouvent que le concept d’inhibition de l’anneau de café par les polymères en brosse P1-7 peut être étendu à d’autres suspensions colloïdales comme les suspensions de dioxyde de titane. Ceci ouvre des perspectives d’applications des polymères en brosse dans le domaine des peintures.
Dans une moindre mesure, les polymères en brosse améliorent également l’aspect des dépôts de kaolin et de talc en terme d’homogénéité. Cette efficacité réduite des polymères P1-7 dans ces systèmes peut être liée à la structure « en feuillets » de ces pigments lamellaires, déjà invoquée au Chapitre III (paragraphe III.3.7).