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Les élastomères sont des macromolécules qui, sous l’effet de la vulcanisation, vont présenter des propriétés d’hyper-élasticité remarquables rendant leur utilisation indispensable dans de nombreux secteurs industriels et biens de consommation. Cependant, afin d’obtenir des propriétés mécaniques suffisantes pour de telles applications, les élastomères ont besoin d’être renforcés par des charges, telles que le noir de carbone ou la silice. Si ces charges sont couramment utilisées dans l’industrie, elles présentent toutefois des inconvénients majeurs, notamment leur forte densité (> 1,8), et leur incorporation à fort taux conduit à des matériaux lourds. L’objectif des travaux présentés ici est alors d’étudier un nouveau mode de renforcement, à base de polyuréthanes synthétisés in situ lors de la mise en œuvre des élastomères afin de former des matériaux plus légers que ceux existants. Les mélanges élastomère/polyuréthane ainsi formés ont été caractérisés afin de déterminer leurs propriétés rhéologiques, mécaniques, thermiques et thermomécaniques. Ces études ont permis de prouver notre concept comme les matériaux renforcés par des PUs présentent des propriétés mécaniques correctes vis-à-vis d’un renfort classique tout en ayant une densité plus faible. / Elastomers are macromolecules which, under the effect of vulcanization, present remarkable properties of hyper-elasticity, making their use essential in many industrial sectors and consumer goods. However, in order to obtain sufficient mechanical properties for such applications, fillers, such as carbon black and silica, need to be incorporated in rubber formulations. Even if they are commonly used in the industry, these fillers present some major limitations, especially their high density (> 1,8), leading to heavy materials when incorporated at high rate. The aim of these works is to study a new type of reinforcement, based on polyurethanes synthesized in situ during elastomers processing, in order to decrease their weight. Elastomer/polyurethane blends thus formed were characterized to determine their rheological, mechanical, thermal, thermomechanical properties in addition of their densities. This work has proven our concept as PUs reinforced materials present lower densities compared to a conventional reinforcement while having correct mechanical properties.

Cette étude est dédiée aux matériaux élastomères à base d’éthylène acétate de vinyle (EVM) ignifugés à l'aide de trihydroxide d’aluminium (ATH) et de mélamine ou de ses dérivés. Les différents types de formulations sont testés concernant leurs propriétés mécaniques, vieillissement, ignifugation et libération de fumée. La combinaison d’ATH et borate de mélamine dans l’EVM (EVM-ATH-MB) présente une plus faible libération de fumées et une meilleure stabilité pendant les tests vieillissement. En conséquence les mécanismes de la décomposition sont étudiées en utilisant entre autres des nouvelles approches comme le pyrolyzeur chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (py-GCMS) et calorimètre à cône couplé à la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (MLC-FTIR). L’effet de refroidissement ainsi que la formation d’une couche protectrice à la surface protège le matériau principalement. / This work deals with new elastomeric ethylene-vinyl acetate (EVM) materials containing aluminum trihydroxide (ATH) in combination with melamine or its derivatives are evaluated regarding mechanical properties, hydrothermal aging, fire retardancy and smoke release. The decomposition mechanism of EVM containing ATH and melamine borate (MB) (EVM-ATH-MB) is analyzed in details because of its high stability during hydrothermal aging and its low smoke release. Decomposition reactions EVM-ATH-MB are studies using amongst others new approaches such as pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry (py-GCMS) and mass loss calorimeter coupled with Fourier transform infra-red (MLC-FTIR). It is found that EVM-ATH-MB is mainly protected by the mode of action of ATH diluting the fuel and forming a protective layer that reduces mass and heat transfer.

Comprendre le vieillissement des caoutchoucs afin de le ralentir est un challenge industriel. Pour répondre à cette problématique, la caractérisation du matériau à chaque étape de sa préparation est primordiale. En effet la vulcanisation au soufre est largement utilisée dans l’industrie alors que les mécanismes réactionnels et la structure des matériaux formés restent encore hypothétiques et controversés. La connaissance de ces mécanismes permettrait une amélioration de leur durée de vie. Pour cela nous avons utilisé des techniques innovantes comme l’Analyse Directe en Temps Réel couplée à la spectrométrie de masse (DART-MS) et la Résonance Paramagnétique Electronique (RPE). Une analyse par spectroscopie RPE et DART-MS est effectuée sur chaque additif et mélange (gomme et additifs) à différentes étapes de leur préparation (brut, cru et vulcanisé) pour constituer une base de données. Le cœur de la thèse est l’étude menée par RPE sur la réaction de vulcanisation et sur le vieillissement accéléré des matériaux afin d’apporter des éléments de réponse sur les mécanismes radicalaires proposés dans la littérature. La vulcanisation est étudiée en comparant l’étude ex-situ consistant à analyser le matériau ayant subi la vulcanisation au sein du rhéomètre et l’étude in situ qui consiste à mimer cette réaction au sein du spectromètre RPE pour une étude en temps réelle. Les analyses par RPE montrent la présence d’espèces paramagnétiques de différentes natures (organique et métallique) évoluant au cours de la réaction de vulcanisation et de vieillissement. La spectroscopie RPE montre clairement son intérêt dans l’étude de la réaction de vulcanisation et le suivi du vieillissement. / Understanding the rubber materials’ aging is a challenge in the world of industry. To respond at this problematic, the characterization of the material at each stage of its preparation is essential. Actually, sulfur vulcanization is often used in industry while the reaction’s mechanisms and the structure of the materials formed are still hypothetical and controversial. Knowledge of these mechanisms would improve the life of rubbers. For this we have used innovative techniques such as Direct Analysis at Real-Time coupled with Mass Spectrometry (DART-MS) and Electronic Paramagnetic Resonance (EPR). Spectroscopic analysis by EPR and DART-MS is performed on each additive and mixture (rubber and additives) at different stages of their preparation (raw, uncured and vulcanized) to make a database. The center of the thesis is the study conducted by EPR on the vulcanization reaction and the accelerated aging of materials to provide response’s elements on the radical mechanisms proposed in the literature. Vulcanization is studied by comparing the ex-situ study which the material is vulcanized in the rheometer and the in-situ study which mimicking the vulcanization reaction in the EPR spectrometer for a real-time study. EPR analyzes show the presence of different paramagnetic species (organic and metallic) evolving during the vulcanization and aging reaction. EPR spectroscopy shows clearly its interest in the study of the vulcanization reaction and in the aging.

L’objectif de ce travail de thèse était l’amélioration de la compatibilité de mélanges d’acide polylactique et de caoutchouc naturel (mélanges PLA/NR) par l’ajout de dérivés du caoutchouc naturel comme agents compatibilisants. Le caoutchouc naturel a été modifié selon deux approches : synthèse d’un copolymère greffé caoutchouc- poly(vinyl acétate) (NR-g-PVAc) et synthèse de polymères à blocks PLA-NR et PLA-NR-PLA. Les mélanges PLA/NR ont été préparés par extrusion dans une extrudeuse à double vis et moulées par compression pour obtenir des feuilles de 2 mm d’épaisseur. Les mélanges contenaient 10-20% en poids de NR et NR modifiée. La résistance au choc et les propriétés en traction ont été étudiées. L’effet de compatibilisation a été déterminé par DMTA, DSC et MEB. NR-g-PVAc a été synthétisé par polymérisation en émulsion pour obtenir de copolymères avec différents contenus en PVAc greffé (1%, 5% and 12%). La caractérisation des matériaux par DMTA a montré une augmentation de la miscibilité des mélanges PLA/NR-g-PVAc.NR-g-PVAc a résulté être un agent durcissant pour le PLA et un agent compatibilisant pour les mélanges PLA/NR. Les polymères à bloc ont été synthétisés selon deux routes : (1) NR hydroxy téléquelique (HTNR) et lactide et (2) NR hydroxy téléquelique et pré-polymère PLA. Dans la première approche, le lactide a été polymérisé in situ à travers la polymérisation par ouverture de cycle pour donner un bloc. Dans la deuxième approche, le pré-polymère PLA a été synthétisé par polymérisation directe de l’acide L-lactique avant copolymérisation à blocs. Les deux types de copolymères se sont révélés de bons agents compatibilisants pour les mélanges PLA/NR, car ils ont augmenté la résistance au choc et ils ont diminué la taille des particules de caoutchouc. / The aim of this research work was to improve the compatibility of polymer blends made from poly(lactic acid) and natural rubber (PLA/NR blends) by using modified natural rubber as a compatibilizer. Natural rubber was chemically modified into two categories: natural rubber grafted poly(vinyl acetate) copolymer (NR-g-PVAc) and block copolymers (PLA-NR diblock copolymer and PLA-NR-PLA triblock copolymer). PLA/NR blends were prepared by melting blending in a twin screw extruder and compression molded to obtain a 2-mm thick sheet. The blends contained 10-20 wt% of NR and modified NR, and the impact strength and tensile properties were investigated. The compatibilization effect was determined by DMTA, DSC and SEM. NR-g-PVAc was synthesized by emulsion polymerization to obtain different PVAc graft contents (1%, 5% and 12%). Characterization by DMTA showed an enhancement in miscibility of the PLA/NR-g-PVAc blends. NR-g-PVAc could be used as a toughening agent of PLA and as a compatibilizer of the PLA/NR blend. The block copolymers were synthesized following two routes: (1) hydroxyl telechelic natural rubber (HTNR) and lactide and (2) HTNR and PLA prepolymer. In the former route, lactide was in situ polymerized via a ring opening polymerization to be a PLA block segment during block copolymerization. In the latter route PLA prepolymer was synthesized by a condensation polymerization of L-lactic acid prior to block copolymerization. Both block copolymers acted as good compatibilizers for the PLA/NR blend by increasing the impact strength and decreasing the NR particle size. Triblock copolymers provided higher impact strength than diblock copolymers, and they were a less effective compatibilizer than NR-g-PVAc. In contrast to NR and NR-g-PVAc, the block copolymer was not a good toughening agent for PLA.

Ce manuscrit présente la synthèse de nouveaux matériaux élastomères dérivés du caoutchouc naturel et de monomères organiques possédant des propriétés antifouling et/ou antibactériennes, liés de manière covalente au réseau polymère. Des monomères acrylates originaux comportant un groupement bioactif (un groupe guanidinium ou des dérivés de l'acide Zostérique) ont été synthétisés et co-polymérisés avec des oligomères acrylates téléchéliques. Aucun relargage significatif des monomères bioactifs n’'a eu lieu après immersion dans l'eau. Les films auto-portés synthétisés uniquement à partir des oligoisoprènes de type acrylate ont montré une faible activité antibactérienne qui a pu être drastiquement améliorée en intégrant aux films des monomères bioactifs. Les revêtements se sont montrés actifs contre plusieurs souches de bactéries pathogènes, parmi lesquelles P.aeruginosa, S.aureus, Bacillus subtilis et S.epidermidis. Afin de greffer de manière covalente des brosses d'oligoisoprène sur des surfaces, de nouveaux oligoisoprènes bifonctionnels comportant un groupe terminal alkoxy-silane ont été préparés puis couplés avec des matériaux à base de silicium. Une autre approche a également été étudiée, consistant à pré-fonctionnaliser la surface avec des groupements amino puis à partir de ces fonctions à greffer des oligomères ayant des extrémités carbonylés. La post-polymérisation à partir des extrémités de chaîne libres à la surface a donné un revêtement épais d’'oligoisoprène offrant une forte résistance à l'immersion dans des solvants (eau, THF). De cette manière, nous avons pu accéder à des couches moléculaires denses et liées, à des films minces et à des revêtements épais. / This manuscript presents the synthesis of new elastomeric materials based on natural rubber derived building blocks and organic monomers having antifouling and/or antibacterial properties, covalently bound to the polymer network. Original acrylate monomers bearing an organic bioactive moiety (a Guanidinium group or Zosteric acid derivates) were synthesized and co-polymerized with telechelic acrylate oligomers from polyisoprene. No significant leaching of the bioactive monomers occurred and the material resisted to long water immersions. Freestanding films prepared from acrylate oligoisoprenes also showed a weak antibiofouling activity which was drastically increased by integrating the guanidinium and the Zosteric acid monomers. The coatings were active against several strains of pathogenic bacteria among which Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis and Staphylococcus epidermidis. In order to covalently graft oligoisoprenes to surfaces, new bifunctional oligoisoprenes bearing an alkoxy-silane end moiety were designed and coupled with silicon-containing materials. An alternative approach was followed by prefunctionalizing the surface with amino groups and by covalently grafting oligomers with carbonyl chain-ends. Post-polymerization from the surface free chain-ends resulted in a thick oligoisoprene coating with strong resistance to solvent immersion (water, THF). In this way, we were able to build dense and tethered molecular layers, thin films and thick coatings.