Étude structurale de Systèmes Moléculaires Organisés à base de tensioactifs fluorés non ioniques (application à l'immobilisation de biomolécules)

NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Cristaux liquides, empreinte pour la préparation de matériaux mésoporeux organisés (application à la synthèse d'oxyde de titane nanocristallin)

Ce travail est consacré à la préparation de matériaux mésoporeux à partir de cristaux liquides formés avec des tensioactifs fluorés selon le mécanisme transcriptif LCT. Les paramètres de synthèse ont été optimisés pour la préparation de silices mésostructurées à partir de la phase hexagonale du système eau/C8F17C2H4(OCH2CH2)9OH. Les résultats montrent une corrélation entre le diamètre des pores des matériaux et les diamètres hydrophobes mesurés dans les cristaux liquides. L'incorporation de TiO2 dans une matrice silicatée selon la méthode de coprécipitation a été réalisée en utilisant soit des micelles (mécanisme d'auto-assemblage coopératif CTM), soit la phase hexagonale du système C8F17C2H4(OCH2CH2)9OH/eau (mécanisme transcriptif LCT). Dans les deux cas, l'incorporation de titane conduit à une perte de la structure et à une diminution de la surface spécifique. L'utilisation du mécanisme CTM favorise la formation de TiO2 anatase en surface du matériau, tandis que pour le mécanisme LCT, la substitution du silicium par le titane au coeur du matériau a été mise en évidence. Des films minces mésostructurés à base de TiO2 ont été réalisés à partir de la méthode EISA. Les analyses par diffraction des rayons X à incidence rasante couplées à des mesures de réflectivité ont permis de mettre en évidence la structure des films et de déterminer les épaisseurs des couches qui constituent les films. Enfin, une méthode originale de synthèse de matériaux mésoporeux organisés à base de TiO2 a été développée. La précipitation de TiO2 dans la mésophase hybride est déclenchée à l'aide d'un traitement par NH3 (g). La structure des matériaux est conservée après l'étape de calcination laquelle permet de cristalliser TiO2 en phase anatase. L'activité photocatalytique de ces matériaux a ensuite été testée sur la réaction de photodégradation du méthylorangeThis work deals with the preparation of mesoporous materials from fluorinated liquid crystals via the LCT mechanism. Synthesis parameters have been optimized for the preparation of ordered mesoporous silica with the hexagonal H1 phase of water/C8F17C2H4(OCH2CH2)9OH system. Results show a correlation between pore diameters of materials and hydrophobic diameters measured in liquid crystals. According to the coprecipitation method, incorporation of TiO2 in a silica matrix, synthesized using micelles (via the cooperative templating mechanism CTM) or the hexagonal phase of C8F17C2H4(OCH2CH2)9OH/water system (via liquid crystal templating mechanism LCT). Both pathways lead to a loss of mesopore ordering and a decrease of the specific surface area when titania content increases. If materials are prepared via CTM mechanism TiO2 is present on the surface whereas TiO2 is in the bulk when LCT mechanism is used. Mesoporous thin films have been prepared via EISA method. Grazing incidence small angle X-Ray scattering and reflectivity analysis have been used to define the structure of films and the thickness of the different layers. Finally an original method has been developed for the preparation of ordered titania mesoporous materials. Precipitation of titania in the hybrid mesophase is activated by a NH3 treatment. The structure is preserved after calcination step which allow the formation of TiO2 anatase. Photocatalytic activity of these materials has been tested on the photodegradation of methylorangeNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Compréhension des mécanismes de déstabilisation des substances dissoutes et colloïdales contenues dans les mélanges de pâtes à papier recyclée et mécanique (proposition de solutions pour limiter le nombre de casses stickies)

Lors de la fabrication de pâtes à papier, désencrée et mécanique, des substances dissoutes et colloïdales sont libérées dans les eaux du procédé. Celles-ci peuvent dans certaines conditions se déstabiliser et former des agglomérats collants, appelés stickies . La présence de ces agglomérats engendre des perturbations lors de la formation de la feuille sur la machine à papier, notamment des casses. Les travaux présentés dans cette thèse montrent l'impact du taux d'extractibles, obtenue de manière automatisée grâce à la mise en place d'un capteur, sur l'apparition des casses d'origine stickies. D'autre part, le vieillissement de la pâte désencrée a été identifié comme une des causes des modifications physico-chimiques de la pâte, conduisant à la déstabilisation des substances dissoutes et colloïdales des pâtes mécanique et désencrée lors la phase de mélange. Enfin, des solutions ont été proposées afin de limiter le phénomène d'agglomérations des substances dissoutes et colloïdales et par conséquent de diminuer le nombre de casses sur la machineDuring the manufacturing of paper pulp, deinked and mechanical, dissolved and colloidal substances are released into the waters of the process. These can become unstable under certain conditions and form sticky agglomerates, called "stickies". The presence of these agglomerates generates disturbances in the formation of the sheet on the paper machine, including breaks. The works presented in this thesis show the impact of the level of extractible, obtained in an automated manner through the establishment of a sensor, on the occurrence of the breaks of stickies origin. On the other hand, the ageing of deinked pulp has been identified as a cause of physico-chemical changes of the pulp, leading to the destabilization of dissolved and colloidal substances from mechanical and deinked pulps during the mixing phase. Finally, solutions have been proposed to limit the phenomenon of agglomeration of dissolved and colloidal substances and reduce the number of breaks on the machineMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Systèmes à base de tensioactifs hydrogénés et fluorés pour la préparation de matériaux poreux silicatés

Ce travail est consacré à l étude des propriétés de systèmes à base de tensioactifs non ioniques hydrogéné et fluoré dans le but de préparer des matériaux poreux silicatés. L effet de la solubilisation d hexadécane ou de décane dans des micelles de C12H25CO(OC2H4)9OCH3 conduit à la formation de silices mésoporeuses à plus larges pores, tandis qu aucun effet de gonflement n est observé avec l ajout de cyclohexane. Lorsque les matériaux sont préparés avec des micelles de C8F17C2H4(OC2H4)9OH, l ajout de perflorooctylbromure (PFOBr) augmente la taille des mésopores. Par ailleurs, l incorporation de grandes quantités de PFOBr ou de perfluorodécaline conduit à la formation de macropores. Avec C7F15C2H4(OC2H4)8OH, l incorporation de (C4F9CH)2 permet d élargir les mésopores et de créer un réseau de macropores, tandis que l ajout de PFOBr ne conduit ni à la formation de mésopore, ni à la formation de macropore. Les résultats mettent en évidence que la formation de matériaux macroporeux à partir d émulsions hydrogénées ou fluorées est favorisée avec les systèmes qui présentent des valeurs de PIT (Température d Inversion de Phase) élevées. Pour finir, l effet de l addition de différents alcools dans le système à base de C8F17C2H4(OC2H4)9OH a été étudié. La détermination des paramètres structuraux de la phase cristal liquide hexagonal, indique que les alcools à courte ou moyenne chaîne jouent le rôle de solvant, tandis que le fluoro-octanol joue celui d un co-tensioactif. L addition d alcools courts provoque la destruction progressive des micelles qui perturbe le mécanisme d auto-assemblage et les matériaux obtenus présentent des structures vermiformesThis work deals with the study of the properties of nonionic hydrogenated and fluorinated surfactant based systems which are related to the synthesis of porous silica. The effect of the solubilization of low fraction of hexadecane or decane in the micelles of C12H25CO(OC2H4)9OCH3 leads to the formation of large mesoporous silica, whereas no swelling effect was noted with cyclohexane. When the materials are templated by fluorinated micelles of C8F17C2H4(OC2H4)9OH, large pore mesoporous materials are obtained with perfluorooctyl bromide (PFOBr). Both PFOBr and perfluorodecalin give rise to macropores at high oil concentrations. With C7F15C2H4(OC2H4)8OH, the fluorocarbon (C4F9CH)2 is not only an effective expander to enlarge the pore size of mesoporous materials, but also very favourable for the design of macropore network. On the contrary, with PFOBr, there is neither mesopore nor macropore. Therefore, both hydrogenated and fluorinated systems obey to the same rule: the formation of macroporous materials template by emulsions is favoured with systems which exhibit a high value of the PIT. Lastly, alcohols used as additives in the C8F17C2H4(OC2H4)9OH -water system to tune the characteristics of the recovered materials. The structural parameters of the hexagonal liquid crystal show the short and medium alcohols behaved like solvent, while the long chain and fluorinated octanol acted as co-surfactant. The short alcohols provoke a micelle breaking effect. Thus, the self-assembly mechanism is disturbed and wormhole-like structures are recoveredNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Propriétés rhéophysiques de phases micellaires fluorées non ioniques (lien avec les matériaux mésoporeux)

Afin d'établir un lien entre les solutions servant de modèles dans la préparation de matériaux mésoporeux, on étudie les propriétés physiques à l'équilibre et hors équilibre de solutions micellaires aqueuses à base de deux tensioactifs fluorés : C8F17C2H4(OC2H4)9OH, [RF8(EO)9] and C7F15C2H4(OC2H4)8OH, [RF7(EO)8]. Cette étude devrait nous aider à comprendre pourquoi on obtient des matériaux mésoporeux bien ordonnés à partir de solutions micellaires du tensioactif RF8(EO)9 et des structures désordonnées lorsque l'on utilise RF7(EO)8. Les expériences sont menées sur quatre systèmes de deux surfactants: RF7(EO)8/H2O, RF7(EO)8/NaI/H2O, RF8(EO)9/H2O et RF8(EO)9/NaCl/H2O. Plusieurs techniques expérimentales sont utilisées: rhéologie, biréfringence d'écoulement et diffusion de neutrons aux petits angles dans le but de décrire ces quatre systèmes. Les diagrammes de phase des deux tensioactifs montrent qu'une phase micellaire L1 existe dans une large gamme de température et concentration. Mais dans tous les cas, la distance à la courbe de miscibilité a une influence sur les caractéristiques rhéologiques bien que toutes les solutions soient une phase L1. La biréfringence d'écoulement des deux systèmes apporte des informations complémentaires quant à la taille et la forme des micelles. Pour les deux systèmes, avec et sans sel, les résultats suggèrent l'existence de petites micelles allongées liées en chaines par des forces faibles excepté pour le système RF8(EO)9 qui ne présente pas de biréfringence notable; les micelles sont probablement petites avec une forme voisine de la sphère. Pour les quatre systèmes, on observe une perte du caractère Maxwellien lorsque les conditions de concentration et de température se rapprochent de la courbe de miscibilité. Ces résultats confortent l'idée selon laquelle : les conditions thermodynamiques choisies pour l'addition de la silice ne doivent pas être trop proches de la courbe de miscibilité, afin d'obtenir des matériaux mésoporeux ordonnés. Dans ces conditions, les solutions sont Maxwelliennes et les matériaux mésoporeux synthétisés sont ordonnésTo provide a link between the micellar templates and the mesoporous material characteristics in the final product, the physical properties of aqueous systems prepared with two kinds of fluorinated surfactants are described and analyzed under equilibrium and out-of-equilibrium conditions: the surfactants are C8F17C2H4(OC2H4)9OH, [RF8(EO)9] and C7F15C2H4(OC2H4)8OH, [RF7(EO)8]. This study may help us to understand why the ordered mesoporous materials are recovered only when RF8(EO)9 micellar solutions are used as building blocks while RF7(EO)8 solutions give rise to wormhole like structure. The distance to the lower consolute boundary (LCB) and a shift in position by salt additions are also taken into account. The experiments concern four systems of two surfactants; 1) pure RF7(EO)8 in water, 2) RF7(EO)8 in the presence of the NaI salt, 3) pure RF8(EO)9 in water, and 4) RF8(EO)9 in the presence of the NaCl salt. Several experimental techniques have been used (rheology, flow birefringence, neutron scattering) to shed light on the physical difference between the four systems. The phase diagrams of both surfactants show that a direct micellar phase (L1) exists in a wide range of concentrations and temperatures. In any cases, the distance to the LCB is a parameter which influences rheological behaviour although the micellar phase still is a L1 phase. The flow birefringence experiments performed on both systems bring complementary information of the size and shape of the micelles. For both systems, with and without salt, the results suggest the existence of small elongated micelles linked by weak forces except for the RF8(EO)9 system which shows no birefringence; the micelles in solution are probably small with a shape close to a sphere. From all four systems, the loss of the Maxwellian character is generally observed when the conditions approach the miscibility curve. These results consolidate the assumption that in order to prepare ordered mesoporous materials, the thermodynamical conditions at which the silica precursor is added to the micellar solution should not be too close to the miscibility curve. Therefore, this study suggests that the Maxwellian character seems to be a pre-requisite condition of the micellar solution for obtaining ordered mesoporous materialsMETZ-SCD (574632105) / SudocNANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocNANCY2-Bibliotheque electronique (543959901) / SudocNANCY-INPL-Bib. électronique (545479901) / SudocSudocFranceF

Contribution des tensioactifs fluorés à la synthèse de matériaux mésoporeux (Application à la conception d'un bioréacteur)

Ce travail concerne l'étude approfondie des propriétés physicochimiques de plusieurs systèmes à base de tensioactifs non ioniques fluorés et hydrogénés en relation avec la synthèse de matériaux mésoporeux silicatés. L'un des buts recherché est de prévoir les caractéristiques structurales et texturales du matériau en fonction de l'application visée. Nous avons ainsi démontré que la courbe de point de trouble, qui caractérise les systèmes à base de tensioactifs non ioniques, doit être localisée à haute température pour obtenir un matériau structuré. Toutefois, cette condition n'est pas suffisante et le rapport des volumes molaires des parties hydrophiles (VA) et hydrophobes (VB) du tensioactif doit être prise en compte. Ainsi, l'étude de nombreux systèmes mixtes a permis de préciser la gamme des rapports VA/VB compatible avec l obtention de matériaux organisés. A la suite de ce travail, une étude structurale des micelles a été engagée par des méthodes de diffusion de rayonnements (neutrons, RX). A partir des systèmes fluorés étudiés, nous avons montré que la présence de micelles sphériques favorise la formation de matériaux structurés selon une symétrie hexagonale. De façon complémentaire, le suivi in-situ de la formation de la mésophase hybride a apporté des informations intéressantes sur le mécanisme d'auto-assemblage qui gouverne la génération des silices mésoporeuses structurées. L'effet de l'ensemble des paramètres de synthèse sur les propriétés des matériaux mésoporeux a également été étudié, notamment en faisant appel à la méthode des plans d'expériences. La stabilité hydrothermale marquée des silices mésoporeuses préparées à partir de composés fluorés a été démontrée. Finalement, les propriétés spécifiques des silices mésoporeuses, préparées à partir de micelles fluorées, ont été mises à profit pour la conception de bio-réacteurs. Nous avons ainsi montré qu'une lipase physisorbée à la surface de tels matériaux pouvait catalyser une réaction d'estérification. Ce résultat très prometteur offre des ouvertures pour des applications dans le cadre par exemple du développement d'agro-diesel.This work deals with the study of the properties of several non-ionic fluorinated and hydrogenated surfactant based systems which are related to the synthesis of mesoporous silicate materials. One of the aims is to predict the structural and textural properties of the final material for a given application. Thus, we have proved that the cloud point curve, which is characteristic of non-ionic surfactant based systems, must be present at high temperature to obtain well-ordered materials. However, this condition is not the only one but also the ratio between the molar volumes of the hydrophilic part (VA) and the hydrophobic part (VB) of the surfactant should be taken into account. Thus, the study of several mixed systems has allowed to precise the values of VA/VB which correspond to hexagonal materials. A structural study of the fluorinated micelles have been also performed by scattering methods (neutrons and X-ray). We have shown that the presence of spherical micelles promotes the formation of ordered hexagonal materials. Moreover, the in situ observation of the hybrid mesophase formation has shed light on the cooperative templating mechanism which leads to mesostructured silica materials. The effect of the synthesis parameters onto the properties of the materials has also been studied, particularly using the factorial design method. The high hydrothermal stability of the materials prepared from fluorinated surfactant based systems has been demonstrated. Finally, the mesoporous materials prepared from fluorinated micelles have been used as a support for the immobilization of an enzyme. Furthermore, we have shown that a lipase, physically adsorbed onto these materials, can be used to catalyse an esterification reaction. This result offers an outlook for applying these mesoporous materials to bio-diesel synthesis.NANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Systèmes fluorés pour la conception de matériaux poreux (Matrices pour la physisorption de biomolécules)

Les propriétés d auto organisation de tensioactifs ainsi que celles de la chimie de la silice ont permis de préparer des matériaux mésoporeux organisés selon une symétrie hexagonale, cubique ou lamellaire dont la taille des pores varie de 2 à plus de 10 nm. Ils sont depuis quelques années le centre d intérêt d universitaires et d industriels qui développent des recherches fondamentales et appliquées. La compréhension globale des mécanismes de synthèse et la maîtrise des propriétés structurales et texturales des matériaux mésoporeux sont nécessaires pour envisager leur utilisation dans un quelconque procédé industriel. Dans ce cadre, nous avons étudié les relations entre les propriétés physico-chimiques d un tensioactif fluoré C7F15C2H4(OC2H4)8OH et les caractéristiques des silices mésoporeuses. Malgré l existence d une phase micellaire, les canaux poreux des matériaux obtenus avec ces solutions micellaires ne sont pas organisés. En revanche, l addition de la perfluorodécaline provoque une structuration du matériau selon une symétrie hexagonale. L utilisation de divers fluorocarbures, ayant des structures moléculaires différentes, montre que le phénomène est associé au déplacement de la courbe de point de trouble vers les hautes températures. De plus, il a été montre que la préparation de matériaux à porosité hiérarchisée à partir d'émulsions de type huile dans eau est corrélée à la température d inversion de phase du système eau/huile/tensioactif. Enfin, les matériaux mésoporeux ont été mis à profit pour immobiliser des enzymes et les résultats montrent que les lipases physisorbées conservent une activité catalytique.The self-assembly properties of surfactants and those of silica chemistry have led to the preparation of ordered mesoporous materials with hexagonal, cubic or lamellar symmetry and with pore sizes varying from 2 to more than 10 nm. Recently, they have aroused of great deal of interest to academics and industrialists for the development of fundamental and applied research. However, their use in any industrial process needs a careful consideration of the total comprehension of the synthesis mechanism as well as the control of their structural and textural properties. In this work, the relation between the physicochemical properties of a fluorinated surfactant, C7F15C2H4(OC2H4)8OH, and the characteristics of mesoporous silica was investigated. In spite of the existence of a micellar phase, only wormlike mesoporous materials were obtained. On the other hand, the addition of the perfluorodecalin led to the organisation of the channels according to a hexagonal symmetry. The use of various fluorocarbons of different molecular structures evidenced that this phenomenon is associated to the shift of the cloud point curve towards higher temperatures. Hierarchically porous silica were also prepared from oil-in-water emulsions and their characteristics were correlated to the phase inversion temperature of the surfactant/water/oil system. Finally, the mesoporous materials were used as hosts for the physisorption of enzymes and the results showed that the catalytic activity of the immobilised lipases is preserved.NANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Étude par RMN du carbone-13 de solutions de tensioactifs fluorés non- ioniques de type perfluoroalkylethylthiopolyethyleneoxy alcool

Les paramètres des spectres de carbone-13 (déplacements chimiques δ et temps de relaxation spin-réseau T1) d'une nouvelle série de tensioactifs fluorés non-ioniques, de formule C6F13C2H4SC2H4(OC2H4)nOH ou C6F13C2H4SC2H4(OC2H4)ρSC2H4(OC2H4)ρOH sont déterminés en solution dans le méthanol ou dans un fluorocarbure. Dans ce dernier cas, on examine tout particulièrement l'effet d'addition d'eau sur les paramètres RMN. Ainsi les variations de δ sont attribuées à l'hydratation de la partie hydrophile du tensioactif. Elles sont plus prononcées pour le groupement C2H4SC2H4, situé à la jonction hydrophile-hydrophobe du surfactif, qui subirait des changements conformationnels empêchant la pénétration de l'eau vers la partie hydrophobe. Les valeurs de T1 indiquent une grande rigidité de la partie hydrophile et du groupement C2H4SC2H4

Interactions soluté-solvant : relaxation nucléaire de solutions de monoxyde d’azote dans des solvants perfluores

La relaxation paramagnétique induite par la présence d’un soluté gazeux, le monoxyde d’azote, est mesurée dans un certain nombre de solvants perfluorés. La comparaison avec les résultats d’une étude précédente de solutions oxygénées de ces solvants confirme l’existence des différentes classes de solvants, sur la base de la taille des cavités existant en leur sein. La perturbation paramagnétique apportée aux noyaux du solvant est plus faible avec NO. Par contre, les variations relatives obtenues d’un solvant à l’autre sont amplifiées. Une interprétation vraisemblable est l’intervention de la vitesse de réorientation du soluté sensible à la taille des cavités, en raison du caractère non permanent du moment paramagnétique de la molécule NO

Nanostuctured mesoporous materials from different silica sources using fluorinated surfactants as templates

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