Développement et caractérisation mécanique de membranes silicone architecturées

International audienceDes applications médicales nécessitent l'élaboration de membranes à anisotropie de comportement mécanique. La présente étude vise à proposer une solution à partir d'un seul matériau constitutif. Le principe repose sur la création de membranes architecturées en créant localement au niveau du Volume Elémentaire Représentatif des hétérogénéités de réticulation aux motifs contrôlés. Un matériau silicone est choisi pour la réalisation de ces membranes, à la fois pour sa facilité à le modifier chimiquement et ses propriétés élastomériques intrinsèques. Le degré de réticulation du silicone est maitrisé localement par irradiation UV d'un photo-inhibiteur avant vulcanisation : les zones irradiées réagissent moins en hydrosilylation, générant une phase plus élastique. Cette manipulation permet la création de membranes aux propriétés architecturées de par le contrôle local du degré de réticulation du réseau polymère

Processing and study of mechanically architectured silicone elastomer membranes

La première partie de ce travail traite des propriétés mécaniques de matériaux silicones de type HCR réalisés à partir de macromolécules dont la structure a dû être déterminée. Les relations existantes entre macromolécules initiales et matériaux finaux sont discutées. Cela nous a permis d’isoler un seul paramètre à ajuster pour développer un procédé permettant l’architecturation des propriétés mécaniques d’une membrane en silicone : la densité de réticulation. Ensuite, nous avons comparé trois classes d’élastomères silicones en tentant de comprendre comment les différences de réseau, comprenant une matrice commune mais des moyens de réticulation et renforcements différents, influaient sur les propriétés mécaniques simples (par exemple de traction et de dureté) et plus avancées (comme les propriétés dynamiques et élastiques). L’influence du réseau, des charges, du mécanisme de réticulation et les différentes interactions existantes entre eux, ont orienté notre choix sur la formulation dont la réticulation est la plus contrôlée, et les propriétés élastiques les meilleures, c’est-à-dire les LSR. Nous avons alors développé un procédé permettant de contrôler localement la cinétique de réticulation d’une formulation silicone par dégradation du catalyseur aux UV. Ce procédé très simple nous a permis d’obtenir une large gamme de propriétés mécaniques avec des conditions de réticulations semblables. Les deux premières études ont permis d’expliquer plus facilement le comportement mécanique des matériaux-sous-réticulés. Des membranes anisotropes ont pu être réalisées à l’aide de masques à motifs. Les membranes obtenues ont même ouvert la porte à des perspectives très intéressantes, comme l’architecturation de surface par lavage au solvant, la post-fonctionnalisation chimique via les fonctions non réagies, et le collage cohésif silicone-silicone.The first part of this work deals with the mechanical properties of high consistency silicone rubbers crafted from macromolecules whose structure had to be determined, and the existing links between initial macromolecules and final material behavior. It allowed us to choose only one parameter to adjust in order to manufacture mechanically architectured silicone membranes: the crosslinking density. Then, three types of silicone elastomers were compared in an attempt to understand how network differences, comprising the same matrix but different crosslinking chemistry and reinforcement, influenced the mechanical properties, both simple (such as hardness and modulus), and more complex (dynamic, and elastic). The influence of the network, fillers, matrix and the different interactions between them oriented our choice towards the silicone ty with the best control of the crosslinking and best elasticity, namely LSR. Then, we developed a process allowing the local control of the crosslinking kinetics of a silicone formulation by UV degradation of the crosslinking catalyst prior to regular heat crosslinking. From this simple and versatile process, materials with a wide range of mechanical properties were manufactured and characterized. The first two studies helped us to understand the mechanical properties of under and regularly crosslinked materials. Anisotropic membranes were also manufactured thanks to the use of patterned masks during irradiation. The obtained materials opened up new promising perspectives, such as surface architecturation through solvent wash of under crosslinked zone, chemical post functionalization of unreacted moieties, or even cohesive silicone-silicone gluing

Photopatterning of PDMS Films: Challenging the Reaction between Benzophenone and Silicone Functional Groups

International audienceDirect photopatterning of PDMS (Polydimethylsiloxane) through benzophenone photo-inhibition has received great interest in recent years. Indeed, the simplicity and versatility of this technique allows for easy processing of micro-canals, or local control of PDMS mechanical properties. Surprisingly, however, the chemical reactions between silicone hydride and/or silicone vinyl groups and benzophenone have only been assessed through qualitative methods (e.g., Attenuated total reflection fourier transform infrared). In this communication, the previously proposed reaction pathways are challenged, using nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and size exclusion chromatography (SEC) monitoring. A different mechanism depicting the role of benzophenone irradiation on the polyaddition reaction of silicone formulations is proposed, and a simplified procedure involving aromatic solvent is finally disclosed

Mechanical behavior of architectured photosensitive silicone membranes: Experimental data and numerical analysis

International audienceThe aim of this article is to provide an experimental and modeling study of an architectured photosensitive silicone membrane. Mechanical properties are dependent of UV doses used to alter the local cross-link density, resulting in a direct effect on the macroscopic mechanical behavior. A series of mechanical tests were carried out to characterize the mechanical behavior of each phase. Results are presented for various types of loading, including uniaxial, planar, and equibiaxial loading cases, for the UV irradiated and the nonirradiated material. Using the bulge test with an architectured sample, the global stretchability with minimum boundary condition perturbations was investigated. To further explore the unusual properties offered by silicone graded membranes, finite element analysis of graded architecture was performed to try to predict the stress-strain response in the bulge test. Soft-to-hard transition is tested and the macroscopic influence of interface was observed

Membranes élastomères en silicone à architecturation de module pour applications biomédicales

International audienc

Membranes élastomères en silicone à architecturation de module pour applications biomédicales

International audienc

Architectured silicone elastomers for biomedical applications

International audienceSilicone rubber are currently used in biomedical applications. Nevertheless, they have an isotropic mechanical behavior. In order to mimic soft tissues, it is important to develop anisotropy in these materials. In this way a means to create heterogeneities in the degree of crosslinking is developed by UV irradiation. This method permit to create membranes with non-homogeneous mechanical properties

Influence of the microstructure of gums on the mechanical properties of silicone high consistency rubbers

International audienceThis paper is devoted to the characterization and processing of high molar mass vinyl-bearing polysiloxanes in high consistency silicone rubber (HCR) formulations. The molar masses of five different polydimethylsiloxane gums, bearing vinyl groups at the ends and along their chains, were evaluated by size exclusion chromatography and rheometry. Si-29 and H-1 NMR spectroscopy allowed the precise determination of the vinyl content and of the distribution in the different polymers. Typical HCRs formulated from these gums were heat-cured to process silicone rubbermaterials that were then tested mechanically. The macromolecular properties were correlated to the final material network structure. The amount of reactive vinyl moieties, rather than their distribution along or at the end of chains, is a key parameter to tailor the material mechanical properties

Méthode d'architecturation de module de membranes élastomères silicones

International audienceLe présent travail vise à l'élaboration de membranes hétérogènes en polydiméthylsiloxane (PDMS), où la distribution spatiale des propriétés mécaniques est contrôlée à l'échelle mésoscopique. A l'origine [1], la densité de réticulation du réseau élastomère était contrôlée par l'ajout d'un photo-inhibiteur (benzophénone), qui une fois activé sous rayonnement UV avant vulcanisation thermique, occupait les sites de réticulation du silicone [2] diminuant de fait la densité de réticulation du matériau final. Récemment, un procédé simplifié ne nécessitant pas l'utilisation d'un photo-inhibiteur a été développé (et breveté) : le seul rayonnement UV appliqué aux constituants du silicone LSR solubilisé dans du xylène conduit à la désactivation du catalyseur de platine à l'origine de la réticulation. De fait, des différences importantes de cinétique de réticulation sont observées suivant que le système soit irradié ou non sous lumière UV, conduisant in fine à d'importantes différences entre les propriétés finales de la membrane silicone : un ratio supérieur à 10 entre les modules des échantillons irradiés et non irradiés a été obtenu, tout en conservant des propriétés élastiques acceptables. Finalement, l'objectif de départ de contrôler spatialement les propriétés mécaniques (limité au module dans le cadre de cette étude) sur une même membrane est assuré en intercalant un masque entre la source UV et la solution de silicone. Il est à noter que l'applicabilité de cette technique ne se limite pas aux seuls systèmes où le catalyseur de Karstedt est utilisé

Méthode d'architecturation de module de membranes élastomères silicones

International audienceLe présent travail vise à l'élaboration de membranes hétérogènes en polydiméthylsiloxane (PDMS), où la distribution spatiale des propriétés mécaniques est contrôlée à l'échelle mésoscopique. A l'origine [1], la densité de réticulation du réseau élastomère était contrôlée par l'ajout d'un photo-inhibiteur (benzophénone), qui une fois activé sous rayonnement UV avant vulcanisation thermique, occupait les sites de réticulation du silicone [2] diminuant de fait la densité de réticulation du matériau final. Récemment, un procédé simplifié ne nécessitant pas l'utilisation d'un photo-inhibiteur a été développé (et breveté) : le seul rayonnement UV appliqué aux constituants du silicone LSR solubilisé dans du xylène conduit à la désactivation du catalyseur de platine à l'origine de la réticulation. De fait, des différences importantes de cinétique de réticulation sont observées suivant que le système soit irradié ou non sous lumière UV, conduisant in fine à d'importantes différences entre les propriétés finales de la membrane silicone : un ratio supérieur à 10 entre les modules des échantillons irradiés et non irradiés a été obtenu, tout en conservant des propriétés élastiques acceptables. Finalement, l'objectif de départ de contrôler spatialement les propriétés mécaniques (limité au module dans le cadre de cette étude) sur une même membrane est assuré en intercalant un masque entre la source UV et la solution de silicone. Il est à noter que l'applicabilité de cette technique ne se limite pas aux seuls systèmes où le catalyseur de Karstedt est utilisé