{"id":{"repo_id":"sherbrooke","oai_identifier":"oai:usherbrooke.scholaris.ca:11143/18836"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/sherbrooke/oai:usherbrooke.scholaris.ca:11143/18836","repository":{"repo_id":"sherbrooke","name":"Université de Sherbrooke","base_url":"https://usherbrooke.scholaris.ca/server/oai/request"},"display":{"title":"Nanocristaux de cellulose sensibles au CO2 et leurs applications","abstract":"Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement d’applications pour les Nanocristaux de Cellulose (NCC) sensibles au CO2. Les NCC en forme de bâtonnets sont modifiées chimiquement ou physiquement par des polymères sensibles au CO2 afin de concevoir de nouvelles applications. Ces polymères sont sensibles au CO2 dans un environnement aqueux, car le CO2 peut les protoner tandis qu’un gaz inerte peut les ramener à leur état neutre. Deux polymères, le poly(2-(diéthylamino)éthyle méthacrylate) (PDEAEMA) et le poly(2-(diméthylamino)éthyle méthacrylate) (PDMAEMA), sont utilisés comme polymères sensibles au CO2 dans cette thèse. Ces deux polymères présentent des différences de comportement en milieu aqueux. Ainsi, le PDEAEMA est un polymère hydrophobe à l'état neutre, mais il devient hydrophile lorsque protoné par le CO2 en solution aqueuse. Cependant, PDMAEMA est un polymère hydrophile dans les deux états protoné ou non protoné. En greffant les polymères sur les NCC ou en les mélangeant dans la suspension de CNC, les charges de surface ou les interactions intermoléculaires changent sous l'effet des gaz. Ainsi, les NCC sensibles au gaz ouvrent un nouveau domaine d'applications. Les résultats obtenus dans cette thèse valident de nouvelles stratégies dans trois applications différentes et offrent des perspectives pour développer et explorer de nouveaux matériaux à base de NCC sensibles au CO2. Dans le premier chapitre (Chapitre 1), les méthodologies des projets sont expliquées. Les instruments utilisés dans les trois projets avec leur description détaillée et l'ensemble des parties expérimentales de la thèse sont décrits dans ce chapitre. Dans le premier projet (chapitre 2), le but recherché est le développement de nanocomposites ayant des applications industrielles, employant les NCCs comme nanocharge dans d’autres polymères usuels. Dans cette approche, les NCCs sont greffés avec du PDEAEMA (CNC-g-PDEAEMA-Py) pour concevoir une stratégie « universelle » de fabrication de nanocomposites (à base de polymères hydrophiles ou hydrophobes) sans additifs. En greffant le polymère sensible au CO2 à la surface des NCCs, leur polarité peut être modulée en fonction des gaz. Les NCCs greffés résultants sont des nanocharges compatibles avec un polymère hydrophile ou hydrophobe (lipophile). Les nanocomposites sont obtenus par un processus de transfert direct de la nanocharge sensible au CO2 à travers l’interface eau-solvant organique, en réponse au bullage de deux gaz (CO2 et N2), puis de leur dépôt en solution. Dans le deuxième projet (chapitre 3), l’application visée est la filtration pour l’industrie. De cette manière, les NCCs greffés avec du PDEAEMA sont utilisées pour fabriquer des filtres sensibles au CO2. Nous fabriquons des NCCs intelligents, couvrant une gamme allant de l'ultrafiltration à la nanofiltration, et dont la taille des pores peut être ajustée à quelques nanomètres juste en faisant barboter du CO2 et du N2 en solution aqueuse. Le PDEAEMA sensible au gaz contrôle l’espace libre entre les NCCs agencés en forme de bâtonnets et déposés de manière aléatoire sur une membrane de support. Les polymères écrasés à la surface des NCCs maintiennent l’espace entre les bâtonnets de NCC à leur capacité maximale (appelé « ouvert »), et les polymères érigés réduisent cet espace (appelé « fermé »). Ces membranes sont utilisées pour la filtration de matériaux non chargés ou chargés. Dans le troisième projet (chapitre 4), l'objectif est de contrôler la phase nématique chirale composée de NCCs pour la fabrication de cristaux liquides (CLs) sensibles au CO2. Pour y parvenir, des suspensions de NCCs et de PDMAEMA sont étudiées pour contrôler la couleur structurelle provoquée par le libre maintien des NCCs dans ces suspensions. Le mélange de PDMAEMA et de NCC est sensible au CO2, montrant une transition de phase de chirale nématique à isotrope en présence de CO2. Comme le PDMAEMA protonné par le CO2 subit une attraction électrostatique des NCCs chargées négativement, les arrangements hélicoïdaux des NCCs sont donc influencés par le CO2. Cependant, les structures de cristaux liquides sont encore reproduites (transition de phase d’isotropique à nématique chirale) après l’élimination du CO2 par chauffage puis purge avec de l'Ar. Ce phénomène a été prouvé par les techniques de microscopie optique polarisé et de microscopie électronique à balayage.","abstract_html":"Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement d’applications pour les Nanocristaux de Cellulose (NCC) sensibles au CO2. Les NCC en forme de bâtonnets sont modifiées chimiquement ou physiquement par des polymères sensibles au CO2 afin de concevoir de nouvelles applications. Ces polymères sont sensibles au CO2 dans un environnement aqueux, car le CO2 peut les protoner tandis qu’un gaz inerte peut les ramener à leur état neutre. Deux polymères, le poly(2-(diéthylamino)éthyle méthacrylate) (PDEAEMA) et le poly(2-(diméthylamino)éthyle méthacrylate) (PDMAEMA), sont utilisés comme polymères sensibles au CO2 dans cette thèse. 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Two polymers, poly (2-(dimethylamino) ethyl methacrylate) (PDEAEMA) and poly (2-(methylamino) ethyl methacrylate) (PDMAEMA), are employed as CO2-responsive polymers in this thesis. According to the difference between two polymers, PDEAEMA is a hydrophobic polymer in a neutral state, but it alters from hydrophobic to hydrophilic state when protonated by CO2 in a solution. However, PDMAEMA is a hydrophilic polymer in the two states, protonated or non-protonated. By grafting the polymers on the CNC or blending these polymers in the suspension of CNCs, the surface charges or intermolecular interactions are changed by gases. Thus, gas-responsive CNC provides a new field of applications. The obtained results confirm the validity of the three different applications and offer perspectives to develop and to explore new CO2-responsive CNCs, elucidated in this thesis. In the first chapter (Chapter 1), the methodologies of projects are explained. The instruments which have been used in the three projects with their detailed description and the whole experimental sections of the thesis are pointed out in this chapter. In the first project (Chapter 2), the goal is to develop nanocomposites for industry applications employing CNC as a nanofiller in common polymers. In this approach, CNCs are grafted with PDEAEMA (CNC-g-PDEAEMA-Py) to design a “universal” strategy for making nanocomposites (with hydrophilic or hydrophobic polymers) without additives. By grafting the CO2-responsive polymer on the surface of CNCs, its polarity can be modulated by means of gases. The resulting grafted CNCs are compatible nanofillers with either a hydrophilic or a hydrophobic (lipophilic) polymer. The nanocomposites are primarily made by direct transfer of the CO2 responsive nanofillers through the water-organic solvent interface in response to the bubbling of two gases (CO2 and N2) followed by a solution casting method. In the second project (Chapter 3), the sought for application is basically filtration for the industry. In this way, the CNCs grafted with PDEAEMA are employed for making CO2-responsive filters. We fabricate smart CNCs, ranging from ultrafiltration to nanofiltration, of which pore size can be tuned within nanometers just by bubbling CO2 and N2 in aqueous solution. Gas-responsive PDEAEMA controls the free-space between rod-like CNCs randomly formed by the CNC-g-PDEAEMA deposits on a support membrane. The collapsed polymers on the surface of CNCs keep the free-space between rod-like CNCs in its maximum capacity (so-called “open”), and the erected polymers decrease their free-space (so-called “close”). These membranes are used for the filtration of non-charged or charged materials. In the third project (Chapter 4), the objective is to control the chiral nematic phase of CNCs for making CO2-responsive liquid crystals (LC). To do so, aqueous suspensions of CNCs and PDMAEMA are investigated to control structural color driven by the free-standing of CNCs. The mix of PDMAEMA and CNCs is sensitive to CO2 showing the chiral nematic-to-isotropic phase transition in the presence of CO2. Since the CO2-protonated PDMAEMA experiences electrostatic attraction with negatively charged CNCs, the helical arrangements of CNCs are influenced by CO2. However, the liquid crystal structures are still reproduced (isotropic-to-chiral nematic phase transition) after removing the CO2 by heating and purging with Ar. This phenomenon is proved by polarized optical microscope and scanning electron microscope techniques."]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Nanocristaux de cellulose sensibles au CO2 et leurs applications"]}]}],"canonical_facts":{"dc:contributor.advisor":["Zhao, Yue","Dory, Yves"],"dc:creator":["Farnia, Farhad"],"dc:date.accessioned":["2021-11-24T15:13:22Z"],"dc:date.available":["2021-11-24T15:13:22Z"],"dc:date.issued":["2019"],"dc:description.abstract":["Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement d’applications pour les Nanocristaux de Cellulose (NCC) sensibles au CO2. Les NCC en forme de bâtonnets sont modifiées chimiquement ou physiquement par des polymères sensibles au CO2 afin de concevoir de nouvelles applications. Ces polymères sont sensibles au CO2 dans un environnement aqueux, car le CO2 peut les protoner tandis qu’un gaz inerte peut les ramener à leur état neutre. Deux polymères, le poly(2-(diéthylamino)éthyle méthacrylate) (PDEAEMA) et le poly(2-(diméthylamino)éthyle méthacrylate) (PDMAEMA), sont utilisés comme polymères sensibles au CO2 dans cette thèse. Ces deux polymères présentent des différences de comportement en milieu aqueux. Ainsi, le PDEAEMA est un polymère hydrophobe à l'état neutre, mais il devient hydrophile lorsque protoné par le CO2 en solution aqueuse. Cependant, PDMAEMA est un polymère hydrophile dans les deux états protoné ou non protoné. En greffant les polymères sur les NCC ou en les mélangeant dans la suspension de CNC, les charges de surface ou les interactions intermoléculaires changent sous l'effet des gaz. Ainsi, les NCC sensibles au gaz ouvrent un nouveau domaine d'applications. Les résultats obtenus dans cette thèse valident de nouvelles stratégies dans trois applications différentes et offrent des perspectives pour développer et explorer de nouveaux matériaux à base de NCC sensibles au CO2. Dans le premier chapitre (Chapitre 1), les méthodologies des projets sont expliquées. Les instruments utilisés dans les trois projets avec leur description détaillée et l'ensemble des parties expérimentales de la thèse sont décrits dans ce chapitre. Dans le premier projet (chapitre 2), le but recherché est le développement de nanocomposites ayant des applications industrielles, employant les NCCs comme nanocharge dans d’autres polymères usuels. Dans cette approche, les NCCs sont greffés avec du PDEAEMA (CNC-g-PDEAEMA-Py) pour concevoir une stratégie « universelle » de fabrication de nanocomposites (à base de polymères hydrophiles ou hydrophobes) sans additifs. En greffant le polymère sensible au CO2 à la surface des NCCs, leur polarité peut être modulée en fonction des gaz. Les NCCs greffés résultants sont des nanocharges compatibles avec un polymère hydrophile ou hydrophobe (lipophile). Les nanocomposites sont obtenus par un processus de transfert direct de la nanocharge sensible au CO2 à travers l’interface eau-solvant organique, en réponse au bullage de deux gaz (CO2 et N2), puis de leur dépôt en solution. Dans le deuxième projet (chapitre 3), l’application visée est la filtration pour l’industrie. De cette manière, les NCCs greffés avec du PDEAEMA sont utilisées pour fabriquer des filtres sensibles au CO2. Nous fabriquons des NCCs intelligents, couvrant une gamme allant de l'ultrafiltration à la nanofiltration, et dont la taille des pores peut être ajustée à quelques nanomètres juste en faisant barboter du CO2 et du N2 en solution aqueuse. Le PDEAEMA sensible au gaz contrôle l’espace libre entre les NCCs agencés en forme de bâtonnets et déposés de manière aléatoire sur une membrane de support. Les polymères écrasés à la surface des NCCs maintiennent l’espace entre les bâtonnets de NCC à leur capacité maximale (appelé « ouvert »), et les polymères érigés réduisent cet espace (appelé « fermé »). Ces membranes sont utilisées pour la filtration de matériaux non chargés ou chargés. Dans le troisième projet (chapitre 4), l'objectif est de contrôler la phase nématique chirale composée de NCCs pour la fabrication de cristaux liquides (CLs) sensibles au CO2. Pour y parvenir, des suspensions de NCCs et de PDMAEMA sont étudiées pour contrôler la couleur structurelle provoquée par le libre maintien des NCCs dans ces suspensions. Le mélange de PDMAEMA et de NCC est sensible au CO2, montrant une transition de phase de chirale nématique à isotrope en présence de CO2. Comme le PDMAEMA protonné par le CO2 subit une attraction électrostatique des NCCs chargées négativement, les arrangements hélicoïdaux des NCCs sont donc influencés par le CO2. Cependant, les structures de cristaux liquides sont encore reproduites (transition de phase d’isotropique à nématique chirale) après l’élimination du CO2 par chauffage puis purge avec de l'Ar. Ce phénomène a été prouvé par les techniques de microscopie optique polarisé et de microscopie électronique à balayage.","The research in this thesis focus on the development of applications of CO2-responsive Cellulose Nanocrystal (CNC). The rod-like CNCs are modified by CO2-responsive polymers, either chemically or physically, to design the new applications. These polymers are sensitive to CO2 in an aqueous environment because CO2 can protonate them and recover their neutral state by an inert gas. Two polymers, poly (2-(dimethylamino) ethyl methacrylate) (PDEAEMA) and poly (2-(methylamino) ethyl methacrylate) (PDMAEMA), are employed as CO2-responsive polymers in this thesis. 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