Étude des actionneurs polymères souples basés sur une transition de phase ordre-désordre

Les actionneurs souples à base de polymère pouvant être actionnés de manière réversible suscitent un grand intérêt car ils peuvent être construits à partir d’une vaste source de polymères et être déclenchés par divers types de stimuli pour la production répétée de travaux physiques. Parmi ceux-ci, les actionneurs thermo-sensibles et photo-sensibles à base de polymères semi-cristallins (SCPs) et / ou de polymères à cristaux liquides (LCPs) se développent rapidement en raison de leurs applications potentielles en tant que dispositifs intelligents dans de nombreux domaines. Les chercheurs ont consacré des efforts considérables ces dernières années à la mise au point de nouveaux matériaux et de nouvelles fonctions basés sur les SCPs et les LCPs, mais la demande de construction d'actionneurs en polymère robustes dotés de fonctions avancées utilisant des matériaux facilement disponibles et des stratégies faciles n'a pas été satisfaite. Le but principal de cette thèse est de développer et d’étudier de tels actionneurs polymères fonctionnels avancés et contrôlables thermiquement ou par la lumière afin de produire de l’énergie mécanique par un actionnement réversible, en utilisant du poly (éthylène-acétate de vinyle) (EVA) semi-cristallin disponible dans le commerce et un type de LCP photoréticulable avec addition de petites quantités d'additifs générant de la chaleur. Nos approches étaient simples, pratiques et robustes, car nous n’avions utilisé qu’un laser ou un substrat isothermique pour réguler plusieurs comportements d’actionnement réversibles de pointe. L’utilisation d’EVA a donné lieu à deux projets présentés dans les chapitres 1 et 2, respectivement, en tant que première partie de cette thèse. Dans cette partie, deux comportements d'actionnement réversibles ont été décrits. Le premier est contrôlé par une commutation marche / arrêt du laser, tandis que le second est auto-entretenu sur un substrat isotherme. Les deux comportements sont associés à un gradient de température établi dans la direction de l'épaisseur de l'actionneur et entraîné par une transition de phase cristallisation – fusion. La deuxième partie est présentée au chapitre 3 et démontre qu'une bande de LCP monolithique réticulée de manière non uniforme peut fonctionner comme un photoactionneur multifonctionnel commandé par une transition de phase LC – isotrope.
\nDans le premier chapitre, nous avons préparé un type d'actionneur optique contenant des nanoparticules d'or basé sur une bande d'EVA étirée recevant des cristallites orientés. Lors de l'irradiation avec un laser (longueur d'onde de 532 nm), la résonance plasmonique de surface (SPR) de nanoparticules d'or (AuNP) est activée pour libérer de la chaleur qui fond partiellement les cristallites à Tlight. Les cristallites dont la température de fusion (Tm) est inférieure à Tlight sont fondus en tant que domaine d'actionnement afin de contracter la bande de manière asymétrique en raison du gradient de température, tandis que les cristaux de Tm supérieurs à Tlight soutiennent en tant que cadre. Lorsque le laser est retiré, la recristallisation orientée du domaine d’actionnement induit une expansion dans la direction d’étirage pour détendre la bande. Les résultats montrent que la luminosité, la force mécanique optique, l'amplitude d'actionnement et la vitesse d'activation peuvent être réglés en ajustant l'intensité du laser, le contenu en AuNPs, l'allongement et l'épaisseur de l'actionneur. Une application potentielle de l'actionneur optique en tant que commutateur sans fil et contrôlable à distance a été démontrée.
\nDans le deuxième chapitre, nous avons démontré le mouvement autonome sans précédent d’une bande d’EVA déposée sur un substrat en acier isotherme. La bande est fabriquée à partir d'EVA pur réticulé contenant des cristallites alignés de manière uniaxiale. Une fois en contact avec le substrat chaud, un gradient de température est immédiatement établi sur toute l'épaisseur et élève la section médiane de la bande en arc, provoqué par la contraction induite par la fusion asymétrique. Dans l'air, une recristallisation dirigée se produit et dilate la bande pour retomber à la forme plate initiale. Dans cet état, le substrat chaud chauffe la bande pour qu'elle se plie à nouveau afin de répéter le cycle de mouvement précédent. Une boucle de rétroaction thermo-mécanique-thermique est ainsi facilement établie et validée pour commander le mouvement continu, qui peut durer une heure ou environ 1 000 cycles. Nous avons étudié les facteurs qui affectent l'amplitude et la période du mouvement autonome et avons constaté que la température du substrat et l'allongement de la bande sont des paramètres importants, tandis que la durabilité est principalement altérée par le contact de plus en plus étroit entre la bande et le substrat. Le potentiel de conversion de l’énergie thermique en énergie mécanique a été démontré par une fonction d’auto-marche et la capacité de promouvoir la rotation d’une roue. Dans le troisième chapitre, un photoactionneur à base de LCP contenant un colorant proche infrarouge (NIR) a été préparé par photoréticulation d’une bande de LCP alignée de manière uniaxiale d’un côté en monodomaine et de l’autre en polydomaine LC relaxée. L'actionneur est multifonctionnel et remplit trois fonctions: le transport guidé par la lumière, la rotation flexible en locomotion et le mouvement autonome. Avec deux extrémités confinées sur un substrat et maintenues à plat, la bande peut générer une bosse sur le site de l'irradiation laser, résultant du réarrangement des chaînes polymères lors de la contraction iso-contrainte à l'état isotrope et du passage ultérieur à l'état LC. Une cargaison en forme de tige placée à côté de la bosse peut être transportée de bout en bout lorsque la bosse se propage sous balayage laser. Avec une extrémité fixée sur le substrat et l’autre libérée dans l’air, la bande soumise à une irradiation laser constante peut exécuter un mouvement auto-entretenu selon plusieurs modes, qui sont dictés par l’angle incident du laser. Le mouvement autonome est basé sur le mécanisme d’observation automatique et piloté par le retour photo-thermo-mécano-thermique. Numériser la bosse découpée de la bande de manière uniforme avec le laser peut faire en sorte que la bosse rampe directement sur les surfaces horizontales et inclinées, tandis qu'un balayage asymétrique peut guider le sens de rotation avec souplesse.

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