A busca por tecnologias cada vez mais eficazes no tratamento de águas e efluentes fez com que o desenvolvimento de membranas desempenhasse um papel importante nos processos de separação. A nanofiltração apresenta-se como uma tecnologia promissora para remoção de sais multivalentes em soluções aquosas. O preparo de membranas poliméricas pela técnica de inversão de fases permite a obtenção de estruturas distintas. Neste estudo avaliou-se o uso de diferentes não-solventes no preparo de membranas de poli(fluoreto de vinilideno) pelo método de inversão de fases, quanto às características estruturais e propriedades funcionais. Foram utilizados como não-solventes: água destilada, solução de dodecil sulfato de sódio e etanol/água, resultando nas membranas denominadas MT1, MT2 e MT3, respectivamente. O uso de um surfactante aniônico, como o dodecil sulfato de sódio, no preparo de membranas de poli(fluoreto de vinilideno) apresenta-se como uma inovação tecnológica. O uso de diferentes não-solventes alterou a taxa de precipitação do polímero, o que ocasionou alterações na estrutura química, morfológica, cristalina e nas propriedades de transporte das membranas. Análises de microscopia eletrônica de varredura e porosimetria de deslocamento líquido-líquido mostraram a obtenção de estruturas assimétricas, com poros na ordem de 1-2 nm para as membranas MT1 e MT2, e estrutura simétrica, com alta porosidade, para a membrana MT3. A análise de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier mostrou a presença das fases cristalina α e β nas três membranas e no polímero. Análise termogravimétrica realizada em atmosfera inerte apresentou massa residual em torno de 20-30 % referente ao material carbonáceo, o qual foi eliminado com a utilização de atmosfera oxidante na análise. Os valores de cristalinidade aparente, do polímero e das membranas, apresentaram grandes variações quando determinados pela técnica de calorimetria exploratória diferencial, porém quando determinados a partir dos difratogramas obtidos pela técnica de difração de raios X, a variação foi pequena, apresentando valores em torno de 47%. A avaliação da composição química da superfície das membranas, por espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raio X, mostrou que houve variação na quantidade de ligações C-F quando diferentes não-solventes foram utilizados. Essas variações contribuíram para alterações na hidrofobicidade das membranas. As membranas MT1 e MT2 apresentaram características hidrofílicas, com ângulo de contato em torno de 70°, e a membrana MT3 apresentou característica hidrofóbica, com ângulo de contato em torno de 142°. A maior hidrofobicidade da membrana MT3 é resultante da rugosidade superficial e da maior composição relativa de ligações C-F na superfície desta membrana. Ensaios de permeação realizados até a pressão de 20 bar mostraram que a membrana MT2 sofreu maior efeito de compactação e apresentou menor fluxo de permeado. Os ensaios realizados com soluções de cloreto de sódio, de cálcio e férrico mostraram diferentes eficiências de retenção. Para as membranas MT1 e MT2 a retenção de sais mono e divalentes foi praticamente igual, em torno de 5%. Para a solução de cloreto férrico, a retenção apresentou valores médios em torno de 16% e 27% para as membranas MT1 e MT2, respectivamente. Em função do tamanho de poros apresentados e da pressão transmembrana aplicada nos ensaios de permeação, as membranas MT1 e MT2 podem ser utilizadas em processos de nanofiltração. / The search for increasingly efficient technologies in water and effluent treatment made the development of membranes take on an important role in separation processes. The nanofiltration is presented as a promising technology for removal of multivalent salt in aqueous solution. The polymeric membranes preparation by phase inversion technique allows the obtaining of different structures. This study evaluated the use of different nonsolvents in the poly(vinylidene fluoride) membrane preparation, by phase inversion method, on the structural characteristics and functional properties. Were used as nonsolvents: distilled water, solution of sodium dodecyl sulfate and ethanol/water, resulting in the membranes called MT1, MT2 and MT3, respectively. Use of an anionic surfactant, like as sodium dodecyl sulfate, in the preparation of poly(vinylidene fluoride) membranes is presented as a technological innovation. The use of different non-solvents changed the rate of polymer precipitation which caused changes in chemical, morphology and crystalline structures, and transport properties of the membranes. Scanning electron microscopy and liquid-liquid displacement porosimetry analysis showed asymmetric structures, with pores on the order of 1-2 nm for the MT1 and MT2 membrane, and symmetrical structure, with a high porosity for MT3 membrane. The analysis by Fourier transform infrared spectroscopy showed the presence of α and β crystalline phases in the three membranes and in the polymer. Thermogravimetric analysis carried out in an inert atmosphere showed residual mass around 20-30% from the carbonaceous material, which was eliminated with the use of an oxidizing atmosphere in the analysis. The values of apparent crystallinity of the polymer and the membranes showed large variations, by differential scanning calorimetry technique, but when determined from the diffractograms obtained by X-ray diffraction technique, the variation was small, showed values around 47%. The evaluates of the membranes chemical surface composition by X-ray photoelectron spectroscopy showed that there was variation in the amount of C-F bonds, where different non-solvents were used. These variations contributed to changes in membranes hydrophobicity. The MT1 and MT2 membranes showed hydrophilic characteristics with contact angle around 70°, and the MT3 membrane showed hydrophobicity characteristics with contact angle around 142°. The highest hydrofobicity of the MT3 membrane is result of the surface roughness and the relative composition of CF bonds on this membrane surface. Permeation tests performed until a pressure of 20 bar, it was found that the MT2 membrane has a greater effect compression and showed a lower permeate flux. Tests conducted with solutions of sodium, calcium and ferric chloride showed different retention efficiencies. For MT1 and MT2 membranes the retention of mono and divalent salts was practically equal, around 5%. For the solution of ferric chloride, the retention showed medium values around 16% and 27% for the MT1 and MT2 membranes, respectively. Due to the pore size presented and transmembrane pressure applied on permeation tests, the MT1 and MT2 membranes may be used in nanofiltration processes.

Ce travail de thèse a été consacré au développement de nanocomposites polymère (PVDF-co-HFP) – silice hautement chargés en nanoparticules par voie solvant. La combinaison d’un polymère fluoré ; ayant des propriétés mécaniques, diélectriques, piézoélectriques et pyroélectriques très intéressantes ; avec des nanoparticules de silice pourrait nous permettre le développement de nouvelles solutions dans le domaine de l’énergie. Ainsi nous avons étudié l’impact de la chimie de surface des nanoparticules de silice, des paramètres expérimentaux et du procédé par voie solvant sur la structure et les propriétés finales des matériaux obtenus. Pour la réalisation de ces matériaux par voie solvant, une solution P(VDF-co-HFP) – silice dans un solvant commun est préparée puis séchée. Dans le cadre de ce projet nous avons travaillé avec des cétones aliphatiques présentant différentes longueurs de chaînes: la Methyl Ethyl Ketone (MEK) et la 2-heptanone. Ainsi pour la préparation des solutions nous avons développé une approche générique pour transférer des nanoparticules en solution dans l’eau dans un solvant organique par l’intermédiaire d’un agent de transfert. Cependant, avant l’étape de dépôt et séchage, nous avons constaté que le PVDF et ses copolymères (dont le P(VDF-co-HFP)) forment un gel thermoréversible dans ces deux solvants ; avec ou sans silice. Cette gélification impacte certainement l’étape de solvent casting or aucun consensus concernant les mécanismes responsables de la gélification de ce polymère n’a été trouvé dans la littérature. Il apparait primordial de comprendre les mécanismes de gélification du P(VDF-co-HFP) avant d’étudier les propriétés des nanocomposites. Pour cela nous avons étudié l’influence de différents paramètres : nature du solvant, concentration en copolymère, température, présence de charges (concentration et chimie de surface) sur les mécanismes de gélification (Chapitre 3). La cinétique de gélification a été étudiée par tube-tilting et rhéologie linéaire. Une combinaison de RMN 19F, DSC, SAXS, WAXS et rhéologie non-linéaire a été utilisée pour déterminer les mécanismes réponsables de la gélification du P(VDF-co-HFP) dans ces solvants. La 19F RMN a montré l'existence d'un réseau de polymère où des zones rigides agiraient comme des noeuds de réticulation. Ce comportement n'a été observé qu'à l'état gel: aucun réseau de polymère ou aucune zone rigide n'existent quand la solution de polymère est à l'état liquide. La nature et la fraction volumique de ces zones rigides présentes à l'état gel ont été étudiés par DSC et diffraction des rayons X. Une faible fraction de cristallites, qui correspondrait aux zones rigides, a été observée dans ces gels. Dans une troisième étape (Chapitre 4), l'impact de l'addition de silice sur la gélification du P(VDF-co-HFP) a été étudié. Pour cela, des gels polymère-silice ont été formulés dans la MEK et la 2-heptanone en utilisant deux sources de silice nanométrique: celle préparée par transfert de phase et une solution commerciale Nissan. Nous avons observé que la présence de silice impacte peu la gélification du polymère contrairement au procédé, et plus particulièrement à la présence d'eau résiduelle dans le matériau. La rhéologie non linéaire des gels dans la 2-heptanone, chargés ou non en silice, a ensuite été étudiée sous LAOS. Le comportement de ces matériaux varie avec la contrainte et passe d'un régime élastique à un régime visqueux. Cependant avant de passer dans le domaine visqueux, les gels non chargés montre un fort strain-hardening. Au contraire, l'incorporation de nanoparticules inhibe le strain-hardening. Dans une dernière étape, des films P(VDF-co-HFP)-silice ont été préparés par voie solvant. Des matériaux homogènes contenant jusqu'à 40wt% de nanoparticules ont été obtenus, avec des états de dispersions différents et finement controlés. L'impact de la concentration et de l'état de dispersion sur les propriétés mécaniques a été finalement étudiés / The general context of this PhD thesis is the development of highly filled polymer– silica model nanocomposites by solvent route, based on copolymers of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, denoted as P(VDF-co-HFP). Due to their unique combination of mechanical, dielectric, piezoelectric and pyroelectric properties, PVDF and VDF-copolymers combined with silica are good candidates for new advanced applications like actuation or energy harvesting. In this context, the primary objective was to understand how the filler surface chemistry and formulation parameters, as well as the solvent casting process, affect the final structure and properties of the materials. To elaborate P(VDF-co-HFP) nanocomposites with silica by solvent casting, a first step was to prepare solutions of silica and the polymer in a common solvent which will be subsequently dried. Aliphatic ketone solvents of various chain length, namely methyl ethyl ketone (MEK) and 2-heptanone, were used. For this purpose a generic approach to transfer silica nanoparticles from water to organic solvent through a transfer agent was developed. VDF-based copolymer solutions (filled or not with nanoparticles) exhibit thermoreversible gelation in ketone solvents, which may subsequently impact the processing of materials by solvent casting. Studying the phenomenology of PVDF gelation in thus of major concern for controlling the processing of those nanocomposites. No general consensus on the gelation mechanisms is found in the literature. In this context, the gelation of a semi-crystalline P(VDF-co-HFP) in MEK or 2-heptanone was studied. The gelation kinetics was investigated by tube-tilting and linear rheology. A combination of 19F Nuclear Magnetic Resonance (NMR), DSC, SAXS, WAXS and nonlinear rheology was used to probe the structure of these systems and the gelation mechanisms. 19F NMR shows the occurrence of a polymer network-like structure with rigid zones which may act as cross-links. Such a behavior is only observed in the gel state: no polymer network or rigid zones are present when the polymer solution is in the liquid state. The nature and volume fraction of the rigid zones present in the gel state were investigated with DSC and X-ray diffraction. A small crystalline fraction, which may correspond to the rigid zones, is observed in gels. In a third step, the impact of adding silica nanoparticles on the gelation kinetics of P(VDF-co-HFP) was studied. To do so, copolymer – silica gels were formulated in MEK and 2-heptanone using two sources of organic silica solutions, the one prepared previously by phase transfer and a commercial one from Nissan. We found that the presence of silica nanoparticles hardly disturbs the gelation of P(VDF-co-HFP). Conversely, the process, and more particularly the presence of residual water within the material, has a strong impact on the structure of the gels and gelation kinetics.The nonlinear rheological properties of the P(VDF-co-HFP) physical gels filled or not with silica nanoparticles were investigated in 2-heptanone only (as MEK is too volatile), using Large Amplitude Oscillatory Shear (LAOS) experiments (Chapter 5). The behavior of all materials changes from elastic at small strain to viscous at high strain amplitudes. Before abruptly changing from elastic to viscous behavior, unfilled gels exhibit strong strain-hardening. Incorporating silica nanoparticles is found to inhibit strain-hardening. In a last step, P(VDF-co-HFP) – silica solid films were obtained by solvent casting the previously prepared systems. Homogeneous materials filled up to 40 wt% of silica nanoparticles were obtained, with different and finely controlled dispersion states of nanoparticles, related to the structure of the initial gels or solutions. The impact of the concentration and dispersion state of the fillers on the mechanical performances (particularly the mechanical toughness) was investigated

Le greffage radio-induit de polymères fonctionnels, tels que le poly(acide acrylique) (PAA), la poly(4-vinyl pyridine) (P4VP) et le poly(bis[2-(methacryloyloxy)ethyl] phosphate (B2MP), dans la structure nanoporeuse de membranes en poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) à traces attaquées est ici rapporté, l’objectif étant la pré-concentration sélective des ions Pb(II), Hg(II) et U(VI) en solution dans l’eau. Les membranes en PVDF à traces attaquées sont fabriquées par irradiation aux ions lourds rapides suivie par la révélation chimique des traces. Les membranes nanoporeuses en PVDF ainsi créées sont ensuite fonctionnalisées dans la porosité grâce à la présence de radicaux résiduels à la paroi des nanopores. La spectroscopie RPE a été utilisée pour déterminer la quantité et la réactivité des radicaux piégés, notamment dans le cas d’une fonctionnalité nouvelle comme le B2MP. Il a été montré que ces radicaux, alkyles et peroxyles, étaient en quantité suffisante pour initier une polymérisation radicalaire en présence des trois monomères étudiés. Le FESEM, le FTIR et une méthode moins conventionnelle comme le potentiel Zeta ont permis la caractérisation des groupes fonctionnels. Dans le cas du greffage de la P4VP dans les nanopores, la mesure des états de charges à la surface des nanopores versus le pH a montré que le greffage était uniforme et relativement dense tout au long des canaux poreux. L’objectif de ce travail étant de développer des capteurs électrochimiques innovants pour la détection des métaux toxiques, une étude en adsorption a confirmé des capacités de sorption très efficaces des membranes à traces en PVDF greffées dont les groupes fonctionnels facilitent les réactions de coordination partant d’une interaction électrostatique pure inhérente au PAA à la complexation chélatante avec la P4VP en passant par celle du B2MP. L’effet complexant modéré du B2MP dans le cas de l’adsorption de l’U(VI) est dû à la co-existence de groupements échangeurs d’ions et chélatants dans la structure du B2MP. Pour la détection électrochimique, les membranes en PVDF nanoporeuses radio-greffées sont converties en électrodes. La pré-concentration de métaux toxiques adsorbés dans la nanoporosité permet de diminuer la limite de sensibilité de la voltammétrie à redissolution à des concentrations sub-ppb (μg/L). Les données acquises en photoluminescence résolue en temps (TRPL) et en XPS ont approfondi la compréhension du mécanisme de coordination du complexe U(VI)-B2MP. / Present work reports on radiation grafting of poly(acrylic acid) (PAA), poly(4-vinyl pyridine) (P4VP) and bis[2-(methacryloyloxy)ethyl] phosphate (B2MP) functional polymers inside nanoporous structure of track-etched poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membranes for selective pre-concentration of Pb(II), Hg(II) and U(VI) from aqueous solutions. Track-etched PVDF membranes were made by means of swift heavy ion (SHI) irradiation followed by ion track revealing. The resulting nanoporous PVDF membranes were then functionalized through remained radicals at the nanopore walls. EPR spectroscopy was used to examine the amount and reactivity of the trapped radicals, notably towards a novel functionality inside the etched tracks, namely B2MP. It was found that these radicals, alkyl and peroxy ones, were sufficient to initiate free-radical polymerization in presence of the three studied vinyl monomers. FESEM, FTIR and a less conventional zeta-potential measurements were utilized for examination of functional group presence. In case of P4VP grafting, the measured nanopore surface charge versus pH demonstrated uniform and relatively dense grafting all along the nanopore channels. As the objective of this work is to develop innovative electrochemical sensors for toxic metal determination in water, adsorption experiments were performed confirming that efficient uptakes of the grafted track-etched PVDF membranes are due to the presence of functional groups that facilitate coordination reactions from pure inherent to PAA electrostatic interaction to chelating complexation with P4VP and B2MP complexation in between. The moderate interaction effect in case of U(VI) adsorption by B2MP is due to the co-existence of ion-exchange and chelating groups in B2MP. For electrochemical sensoring, membranes functionalized with abovementioned chelate polymers were converted into electrodes. The pre-concentration of toxic metal adsorbed inside the nanoporosity permit to below stripping voltammetry sensitivity limits to sub-ppb (μg/L) level. Time-resolved photoluminescence (TRPL) measurements accompanied with XPS were performed on uranyl adsorbed B2MP-g-PVDF membranes in order to understand deeper the U(VI)-B2MP coordination mechanism.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Sensors zur gleichzeitigen Bestimmung von Spannungsintensitätsfaktoren (K-Faktoren) und der Risslage. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden zwei Aufgaben zur Charakterisierung der Risse (Detektierung von Risslage und Größe und Quantifizierung des Beanspruchungszustandes an der Rissspitze) mit Hilfe nur eines Sensors ermöglicht. Es wurde effiziente, kostengünstige und leicht zu applizierende Technik zur experimentellen bruchmechanischen Beanspruchungsanalyse entwickelt. Eine Struktur mit Riss wird großflächig mit einer piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Folie (PVDF-Folie) beklebt und eine ausreichende Anzahl von Elektroden befindet sich im Bereich des möglichen/vorhandenen Risses. Die an den Elektroden abgegriffenen elektrischen Potentiale bzw. Ladungen sind ein Maß für die Verzerrungen an der Oberfläche des Bauteils und ermöglichen die Berechnung der bruchmechanischen Größen am Riss. Dabei beschränkte man sich auf die Anwendung des Sensorkonzeptes im Rahmen der Scheiben- und Plattentheorie.

La connaissance et la maîtrise de la perméation des fluides au travers des gaines polymères sont des problématiques de première importance pour optimiser la structure des conduites flexibles transportant des fluides pétroliers, mais aussi d'une façon générale dans le cas des transports de gaz. Une des préoccupations majeures vise à une meilleure compréhension du comportement de ces matériaux et vise à décrire les interactions polymère-gaz dans les flexibles, en particulier dans le cas de mélanges pétroliers agressifs et dangereux contenant de l'H2S. Grâce à l'utilisation d'équipements expérimentaux permettant notamment d'effectuer des essais de perméabilité avec des mélanges gazeux présentant de très faibles proportions d'H2S, nous avons étudié l'influence de la composition du gaz sur les propriétés barrière de deux grades de PVDF utilisés dans les flexibles : le Coflon XD et le Coflon XD déplastifié. Dans une gamme de pression modérée, des effets de pression des gaz purs (CH4 et CO2), puis des effets de couplage entre les gaz CH4, CO2 et H2S ont été mis en évidence sur la perméabilité, la diffusion et la solubilité. Des méthodes de simulation moléculaire de type Monte Carlo dans l'ensemble osmotique ont en outre été utilisées pour étudier la solubilité des gaz dans le PE, notamment pour des pressions très élevées. Les résultats confirment tout d'abord des observations expérimentales faites à pression modérée : les modes de sorption sont de type Henry pour le CH4 et le CO2 et de type Flory-Huggins pour l'H2S. Ils permettent également de mettre en évidence des effets de pression hydrostatique qui limitent à la fois la sorption de gaz, mais également le gonflement du PE dans le domaine des très fortes pressions (jusqu’à 2000 bar) et ce même en condition de mélanges de gaz. Les effets mis en évidence dans cette étude ont été modélisés via des lois en exponentielle de type Flory-Huggins pour la solubilité, Long pour la diffusion et une approche basée sur les travaux de Naito pour les effets de pression hydrostatique observés sur la solubilité / Polymer materials are used in numerous applications where the knowledge and the control of their transport properties are required. Concerning the flexible oil and gas pipes, the main function of polymer sheaths is to ensure the pipe leakproofness with respect to the external environment and also the conveyed fluids such as water, acid gases, crude oil. It is essential to have a deeper understanding of phenomena concerning the permeation of gases at very high pressures and temperatures through thermoplastic polymers, more especially in term of interactions between polymer chains and gases mixtures and particularly with hydrogen sulfide. Thanks to the utilisation of apparatus developed to study the permeability of polymers in presence of gas mixtures, in particular with small contents of hydrogen sulphide, we studied the influence of the gas mixture composition on the barrier properties of two kinds of PVDF used in applications such as sheath of flexible pipes. In a moderate pressure range, pressure effects of pure gases (CH4 and CO2), then coupling effects between the gases CH4, CO2 and H2S have been evidenced on the permeability, the diffusion and the solubility. Monte Carlo simulations in the osmotic ensemble have been performed. It allowed studying the solubility of gases in PE, in particular at high pressure. The results first confirm the experimental observations made at moderate pressure: sorption mode are Henry for CH4 and CO2 and Flory Huggins for H2S. It also allow to evidence effects of hydrostatic pressure which limit gas sorption and polymer swelling in the domain of very high pressure (up to 2000 bar), even in gas mixture condition. The effects evidenced in this study have been modelled via exponential laws. A simplified Flory Huggins type for the solubility, a Long type for the diffusion and an approach based on the works of Naito to take into account the hydrostatic pressure effects observed on the solubility

With the development of modern industrial engineering technology, increasing demands of multifunctional materials drive the exploration of new applications of electrical conductive polymer nanocomposites (CPNCs). Toward applications of smart materials, sensing performance of CPNCs has gained immense attention in the last decade. Among them, strain sensors, based on piezoresistive behavior of CPNCs, are of high potential to carry out structural health monitoring (SHM) tasks. Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) is highly thought to be potential for SHM applications in civil infrastructures like bridges and railway systems, mechanical systems, automobiles, windgenetors and airplanes, etc. because of its combination of flexibility, low weight, low thermal conductivity, high chemical corrosion resistance, and heat resistance, etc. This work aimed to achieve high piezoresistive sensitivity and wide measurable strain ranges in carbon nanotube based poly(vinylidene fluoride) (PVDF) nanocomposites. Four strategies were introduced to tune the sensitivity of the relative electrical resistance change (ΔR/R0) versus the applied tensile strain for such nanocomposites. Issues like the influence of dispersion of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) on initial resistivity of PVDF nanocomposites and conductive network structure of MWCNTs, as well as piezoresistive properties of the nanocomposites, were addressed when using differently functionalized MWCNTs (strategy 1). In addition, the effects of crystalline phases of PVDF, mechanical ductility of its nanocomposites and interfacial interactions between PVDF and fillers on piezoresistive properties of PVDF nanocomposites were studied. Using hybrid fillers, to combine MWCNTs with conductive carbon black (strategy 2) or isolating organoclay (strategy 3), piezoresistive sensitivity and sensing strain ranges of PVDF nanocomposites could be tuned. Besides, both higher sensitivity and larger measurable strain ranges are achieved simultaneously in PVDF/MWCNT nanocomposites when using the ionic liquid (IL) BMIM+PF6- as interface linker/modifier (strategy 4). The detailed results and highlights are summarized as following: 1. The surface functionalization of MWCNTs influences their dispersion in the PVDF matrix, the PVDF-nanotube interactions and crystalline phases of PVDF, which finally results in different ΔR/R0 and the strain at the yield point (possibly the upper limit of sensing strain ranges). As a whole, regarding to the fabrication of strain sensors based on PVDF/MWCNT nanocomposite, in contrast to pristine CNTs, CNTs-COOH and CNTs-OH, CNT-NH2 filled PVDF nanocomposites possess not only high piezoresistive sensitivity but also wide measurable strain ranges. Gauge factor, i.e. GF, is ca.14 at 10% strain (strain at the yield point) for the nanocomposites containing 0.75% CNTs-NH2. 2. Using hybrid fillers of CNTs and CB to construct strain-susceptible network structure (conductive pathway consisting of string-like array of CNTs and CB particles) enhances the piezoresistive sensitivity of PVDF nanocomposites, which is tightly associated with the CNT content in hybrid fillers and mCNTs/mCB. The best piezoresistive effect is achieved in PVDF nanocomposites with fixed CNT content lower than the ΦC (0.53 wt. %) of PVDF/CNT nanocomposites. 3. ΔR/R0 and possible sensing strain ranges of PVDF nanocomposites were tailored by changing crystalline phases of PVDF and PVDF-MWCNT interactions. Besides, the increase of the strain at yield point in PVDF nanocomposites filled by CNTs-OH is more obvious than that in the nanocomposites containing the same amount of clay and CNTs. The nanocomposite consisting of 0.25% clay and 0.75% CNTs-OH have ca. 70% increase of the strain at the yield point (17%) and the GF at this strain is ca. 14, while GF for the nanocomposite filled by only 0.75% CNTs-OH is ca. 5 at 10% strain. 4. IL BMIM+PF6- served as interface linker for PVDF and MWCNTs, which significantly increased the values of ΔR/R0 and strain at the yield point of PVDF nanocomposites simultaneously. Besides, this increases with increasing IL content. With the aid of IL, the dispersion of nanotube and toughness of the nanocomposites are greatly improved, but the electrical conductivity of the nanocomposites is decreased with the incorporation of IL, which is related to the IL modified PVDF-MWCNT interface connection or bonding. GF reaches ca. 60 at 21% strain (the strain at the yield point) for PVDF nanocomposites filled by 10% IL premixed 2%CNTs-COOH.

<p>In this thesis a multilayer actuator structure is developed for the I-SWARM project. In order to build an energy efficient and low voltage actuator system for the 3x3x3 mm3 robot, the resonance drive mode in combination with a ten layer multilayer structure build upon the most suitable substrate material was used. Two different sizes of the locomotion module were built. The first one is five times larger than the small version. It has five active layers and is simpler to work with and to test. The small module has three 2x0.4 mm can-tilevers on a 3x3mm body and ten active layers.</p><p>The multilayer process involve easily defined flexible printed circuit (FPC) board as substrate material, spin coating piezoelectric poly(vinylidenefluoride- tetrafluoroethylene) P(VDF-TrFE) as active stack material, and evaporated aluminum electrodes on each active polymer layer. By using different shadow masks for each electrode layer, special inter con-tact areas can be contacted from above after the polymer has been removed by an Inductively Coupled Plasma (ICP) etch. The contours of the locomo-tion module was etched in a Reactive Ion Etch (RIE) equipment. Both the cupper layer in the FPC and the electrode layers of the active stack, were used as etch mask.</p><p>The deflections of the cantilevers were measured at low voltages to ensure as realistic drive voltage as possible for the I-SWARM robot. The large struc-ture showed a 250 µm deflection at 4 V and 170 Hz resulting in a Q-value of 19. The deflection of the small structure was 8 µm at 3.3 V and 5000 Hz and the measured Q-value was 31.</p>

L'alternance de deux groupes de polarités très différentes, CH2 et CF2, permet au poly fluorure de vinylidène (PVDF) d’être un polymère industriellement très intéressant. Cependant, cette spécificité mène aussi à d’importantes inversions du monomère lors de la polymérisation vinylique. Pendant la polymérisation, en complément de la propagation tête-queue, CH2CF2CH2CF2, les monomères inversés conduisent à l’addition en queue-queue, CF2CH2CH2CF2, et tête-tête, CH2CF2CF2CH2. Le taux de transformation de polymère se trouve expérimentalement entre 3 et 7%. Ce pourcentage élevé entraine sans aucun doute la modification de propriétés macroscopiques. En utilisant la dynamique moléculaire, cette thèse a pour but de montrer l'effet de ces défauts sur la température de transition vitreuse (Tg), la dynamique locale et sur la température de fusion (Tm) du PVDF. En phase amorphe, le PVDF avec différents pourcentages de régio-défauts a été étudié : 3.6, 4.1, 9.3 et 23%. Cette étude permet de prédire le comportement de polymères qui ne sont pas synthétisés. Étant donné que les Tg simulées et expérimentales concordent avec précision, les motifs moléculaires qui donnent lieu à l'effet plastifiant de l'inversion de monomères peuvent être envisagés. En plus d'accentuer leur effet de plastifiant, la conclusion significative est que la relaxation de la chaîne peut être révélée en abordant explicitement des mouvements locaux. Car cette procédure ne peut pas être déduite de la connaissance du Tg, nous avons basé notre analyse sur le fait cela : 1) Nous avons démontré que des relations linéaires directes entre Tg et l'énergie d'activation conformationnelle de transition (Ea) extraite à partir d'un graphe d'Arrhenius, existent. Ce diagramme correspond au logarithme naturel des taux de transition entre les états rotameriques contre l'inverse de la température. La pente de cette courbe rapporte directement à cet Ea efficace. Un tel lien a été seulement spéculé dans la littérature. 2) Nous avons calculé des relations d'Arrhenius pour différents genres de torsions le long de la chaîne d'épine dorsale. En conséquence, une barrière d'énergie potentielle, ea, est associée à la rotation d'un lien dans un environnement spécifique. L'addition de ces énergies pesées par le pourcentage de chaque lien le long de l'épine dorsale, donne un ea moyen qui est équivalent à l'ea efficace. À l'aide de cette procédure, nous avons maintenant accès au mouvement local de la chaîne entière. 3) Nous avons vérifié cette procédure pour calculer une valeur pour le Tg du copolymère alternatif du l'éthylène-tétrafluoroéthylène (E-TFE), qui possède les segments qui sont présents le PVDF changé. L'ambiguïté concernant la valeur de la Tg du copolymère E_TFE peut être résolue grâce à cette approche, puisque le PVDF avec 50% de défauts régio-isomériques conduit à l'E_TFE. D'ailleurs, nous avons étudié les temps de relaxation pour la fonction d'autocorrélation de torsion au-dessus d'un large éventail de température. La dynamique locale est alors spécifiquement étudiée. L'équation Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) est utilisée pour décrire le processus de relaxation associée aux mouvements coopératifs des segments le long de la chaîne. Nous avons également étudié le possibilité d'utiliser le Kohlrausch-Williams-Watts (KWW), fonction exponentielle étirée, afin de décrire la dépendance temporelle du processus de relaxation, ce travail a été effectué à différentes températures. Les résultats concordent bien avec les données expérimentales. L'objectif principal de cette section est d'étudier conjointement la fréquence des transitions conformationnelles et le temps de relaxation obtenu par la fonction d’autocorrelation de torsion, sur une plage importante de température, afin d’établir un entre les fréquences des transitions conformationnelles et le comportement de type VFT. Nous montrons pour la première fois qu’une relation linéaire peut être établie entre la barrière de transition conformationnelle et l’énergie d’activation effective. Nous montrons pour la première fois qu'une relation linéaire peut être établie entre la barrière de transition conformationnelle, Ea et l'énergie d'activation effective, B, responsables de la dynamique locale. Parmi les cinq phases cristallines que présente le PVDF, les cristaux α et ß présentent des propriétés particulières intéressantes et ont fait l'objet d'une attention significative. Ces deux structures cristallines sont celles que l’on rencontre le plus souvent, la phase α est la plus thermodynamiquement stable le cristal β possède des propriétés ferroélectriques. Toutefois, le comportement lors de la fusion de ces deux phases cristallines n’est pas encore totalement compris. Certains chercheurs pensent que la température de fusion de la phase β est supérieure à la phase alpha . D'autres affirment que le pic endothermique vu sur le thermogramme obtenue par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) a été attribué par erreur à la phase β, cela à cause d’une confusion dans les références . À cet égard, le comportement de la Tm des cristaux α et β par rapport à leur épaisseur est obtenu par la dynamique moléculaire. Différents types de nanocristaux composés de chaînes de PVDF, sans ou avec 10% de régio-défauts, ayant des longueurs différentes ont ainsi été simulées dans les phases α et β. On applique l'équation de Gibbs-Thomson (G-T) afin de déterminer l'énergie de surface et l’enthalpie de fusion des nanocristaux. Les valeurs déterminées sont en accord avec les données expérimentales. Nous avons montré que le PVDF en phase β pur a une température de fusion inférieure à celle du PVDF en phase α pur. Cependant, en insérant des défauts à l'intérieur du cristal, la phase α modifiée présente une température de fusion inférieure à celle de la phase β modifiée. / Abstract : Alternating two groups, CH2 and CF2, of very different polarities along the backbone chain of polyvinylidene fluoride (PVDF) leads to very interesting properties, such as ferroelectricity. However, these properties are affected by the presence of regioisomerism defects (monomer inversion) that appear during the synthesis. During the polymerization, in addition to the Head-to-Tail (HT) sequences, CH2CF2CH2CF2, the reversed monomer units lead to formation of Tail-to-Tail (TT), CF2CH2CH2CF2, and Head-to-Head (HH), CH2CF2CF2CH2, links. The rate of this chain alteration experimentally lies between 3 and 7 %. This percentage undoubtedly brings changes in macroscopic properties. The aim of this thesis is to reveal the impact of these defects on the glass transition temperature (Tg), local dynamics and melting temperature (Tm) of PVDF by using Molecular Dynamics (MD) simulation. In amorphous phase, PVDF chains with different percentages of regiodefects were investigated: 0, 3.6, 4.1, 9.3, and 23 %. This study makes it possible to predict the experimental behavior of polymers which have not yet been synthesized. Once Tg is acquired, the relaxation of the chain can be investigated through the calculation of the activation energy (Ea) of the conformational transition. The significant conclusion is that the relaxation of the chain can be revealed by addressing the local motions. More specifically: a) We demonstrate a direct linear relationship between Tg and Ea extracted from an Arrhenius plot. This diagram corresponds to the natural logarithm of transition rates between rotameric states versus the inverse of the temperature. The slope of this curve yields directly Ea. Such a link was only speculated in the literature. b) A significant finding of this work is that the mobility of the chain can be associated with different types of bonds in PVDF with regiodefects. c) Based on the analysis of Ea for the different bond contributions, we proposed a value for the Tg of ethylene-tetrafluoroethylene (E-TFE), an isomeric polymer of PVDF with 50% regiodefects. Experimentally, the available data for the Tg of E-TFE are limited and highly variable. For example, it has been reported as varying from -108 °C to 145 °C. The ambiguity of Tg for this copolymer can be resolved with this approach. Furthermore, we studied the relaxation time associated with the torsional autocorrelation function (TACF) over a wide temperature range. The Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) equation was used to describe the temperature dependence of the relaxation time. The Kohlrausch Williams Watts (KWW) stretched exponential function is then applied to fit the time dependence of the relaxation process at various temperatures. The results obtained from this work were found to be in good agreement with the experimental data. A particular interest in this study is the question of how the non-Arrhenius VFT of relaxation process is related to the Arrhenius behavior of conformational jump rates near the glass transition. In both cases, the energies (the conformational transition energy (Ea) and the effective activation energy (B) in VFT equation), were very close to the value of a single torsional barrier. However, in contrast to the relaxation time associated with TACF, the rates of conformational jumps show the activation energy higher than the single barrier value. We have shown that a linear relationship can be established between the conformational transition energy and the effective activation energy. In crystalline PVDF, among the five typical phases, the α and β crystals are of particular interest. The α phase is the most thermodynamically stable form and the β crystal possesses ferroelectric properties. The melting behaviour of these two crystal phases is not so clear. Some researchers believe that the melting temperature of the β phase is higher than that of the α phase. Others have claimed that the higher melting temperature of the peak in Differential Scanning Calorimetry (DSC) has been mistakenly attributed to β phase melting, due to confusion in the referencing of literature sources. In this regard, the melting temperatures of α and β crystals (with and without regiodefects) with respect to their thickness are captured by MD simulation. We then applied the Gibbs-Thomson (G-T) equation to determine the melting temperature, as well as the surface energy and enthalpy of fusion, for α and β nanocrystals. We have shown that pure β phase PVDF has a lower melting temperature than pure α phase PVDF. However, by inserting regiodefects randomly inside the crystal, the α phase with regiodefects shows a lower melting temperature than that of the β phase with regiodefects. We attributed this behaviour to the different structures of the two phases.

PVDF, Poly(vinylidene fluoride), is a polymer that has been studied for over four decades due to its good electromechanical properties, stability, and durability in various environments. Currently, PVDF is the only commercially available piezoelectric polymer. PVDF is a polymorph, which indicates the presence of several crystalline phases such as α, β, γ, and δ-phase. Oriented β-phase PVDF exhibits ferroelectric properties and displays the largest piezoelectricity amongst the four phases, which makes it the most desirable phase. Preparing oriented β-phase PVDF is a multi-step process, which is cost intensive, due to the time, labor and energy utilized. The main goal of this work is to prepare oriented β-phase PVDF using the electrospraying technique in a one step process. During the electrospraying process a polymer jet is ejected. This jet disintegrates into droplets due to overwhelming surface tension, resulting in a sprayed coating on the collector substrate. Because of the combination of jet ejection and the high voltage applied between the needle tip and the substrate, the droplets can be stretched and the polymer chains can be oriented. Both the stretching and the high electric field are required for the transformation of α-phase to the oriented β-phase. This study proposes that by using the electrospraying technique it is possible to transform the α-phase to the β-phase in a one step process starting from solution. This research focuses on the processing and characterization of electrosprayed PVDF as well as electrosprayed PVDF/carbon nanotubes (PVDF/CNT) nanocomposites. The specific tasks are to determine the changes to the PVDF phases due to the electrospraying technique, and to determine the changes in the PVDF morphology due to the addition of carbon nanotubes to the polymer matrix.PVDF with two different molecular weights were electrosprayed using different solvents and parameters. Initial observations after electrospraying were that, high boiling point solvents resulted in the spraying of the solution and forming films, whereas a low boiling point volatile solvent such as acetone resulted in the spinning of the solution thus forming non-woven fiber mats. The thermal and electrical properties of the electrosprayed PVDF and PVDF/CNT composites are measured using several characterization techniques, including Modulated Differential Scanning Calorimetry (MDSC), Dielectric spectroscopy, Thermally Stimulated Current (TSC), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), and X-Ray Diffraction (XRD). MDSC results show that electrosprayed PVDF has a lower melting point temperature than that of PVDF commercially available pellets. In addition, electrosprayed PVDF/CNT nanocomposites show a linear increase in the percentage of crystallinity with the increase of CNT concentration in the composite. Dielectric spectroscopy results indicate that by increasing the CNT concentration in the composite, the dielectric constant and the polymer conductivity increase.From the four characterizing techniques used, two of them, FT-IR and XRD, show that it is possible to transform α-phase to β-phase PVDF in a one-step process using electrospraying. The other two techniques, TSC and dielectric spectroscopy, show α-phase for the electrosprayed samples without CNT, and some β-phase formation with samples electrosprayed with CNT. These last two techniques; TSC and dielectric spectroscopy have results that differ from the FT-IR and XRD techniques. This contradiction may be a result of the small amounts of β-phase in the sample, which cannot be detected using these techniques. Another reason may be due to the difference in the probing levels between these techniques. XRD and FT-IR probe at the molecular level, whereas TSC and dielectric probe at a much larger scale, which may make it hard to detect small amounts of β-phase.

L'objectif de ce travail est l'élaboration de nouveaux matériaux nanocomposites hybrides à propriétés spécifiques (piézoélectricité, optique non-linéaire). Dans un premier temps, des modèles numériques simples portant sur les propriétés mécaniques des nanocomposites sont présentées, ainsi que des simulations de déformation réalisées sur les nanocomposites à nanoparticules piézoélectriques. Les résultats expérimentaux de caractérisation mécanique (par spectrométrie Brillouin) et tribologique de différents nanocomposites sont exposés, y compris de nanocomposites réalisés au sein du laboratoire. L'influence des nanoparticules et de leur fonctionnalisation sur la matrice polymère y est discutée, et en particulier leur incidence sur les volumes libres dans les nanocomposites. Plusieurs procédés de synthèse de nanoparticules aux propriétés piézoélectriques ont parallèlement été étudiées. En particulier, un protocole de synthèse de nanoparticules de LiNbO3 a été mis au point. Ces nanoparticules ont été caractérisées par des techniques structurales, chimiques et d'imagerie. Enfin, ces travaux ont conduit à l'élaboration de films nanocomposites à matrice PVDF-TrFE incorporant des nanoparticules produites en laboratoire ou d'origine commerciale. Les méthodes de polarisation des films sont décrites, et les propriétés piézoélectriques de ces films nanocomposites ont été mesurées. Plus particulièrement, des films nanocomposites PVDF-TrFE/Al2O3 polarisés présentant une bonne réponse piézoélectrique ont été élaborés. / This work aims at the elaboration of new hybrid nanocomposites with specific properties (piezoelectricity, non-linear optic). First, simple numeric modelings on mechanical properties of nanocomposites are presented, as well as simulation of deformation in nanocomposites with piezoelectric nanoparticles. Experimental results on tribological and mechanical (performed by Brillouin Spectroscopy) characterization of different nanocomposites are exposed. The influence of nanoparticles and their fonctionalization on the polymer matrix is discussed, and in particular the incidence on free volume in nanocomposites. Several piezoelectric nanoparticles synthesis processes have been also studied. In particular, a LiNbO3 nanoparticles synthesis protocol has been worked out. These nanoparticles were characterized by structural, chemical and imaging techniques. Finally, these works leads to the elaboration of PVDF-TrFE matrix thin films nanocomposites filled with commercial or produced in laboratory nanoparticles. The methods used to polarize the films are described. The piezoelectric properties of the nanocomposites have been measured. More particularly, PVDF-TrFE/Al2O3 nanocomposites thin films with a good piezoelectric response have been elaborated.