Des travaux récents ont montré que des revêtements polymères étaient réalisables par procédé connu sous le nom de Cold-Spray. Ces travaux sont particulièrement importants pour le polyéthylène de très haute masse molaire (UHMWPE) qui ne peuvent pas être mis en forme par les méthodes conventionnelles. Mais les mécanismes d'obtention des dépôts n'avaient pas été analysés. Cette thèse présente une analyse expérimentale mécanique détaillée du comportement à l'impact de particules d'UHMWPE et des mécanismes de formation du revêtement polymère sur un substrat en aluminium (Al) sous l'effet de la pulvérisation à froid de ces particules. La formation du revêtement se décompose en deux étapes : (1) se rapporte à la formation de la première couche de particules (interaction polymère-substrat), (2) à la croissance (par ajout de couches successives) du revêtement polymère (interaction polymère-polymère). La première étape de la formation du revêtement a été étudiée grâce à une technique expérimentale développée dans le cadre de cette thèse et appelée "Méthode de dépôt de particules isolées" (IPD). Il s'agit de déposer des particules isolées de UHMWPE sur un substrat en Al, en utilisant la même machine Cold-Spray, tout en contrôlant de manière précise la température du gaz et la teneur en FNA. Grâce à l'utilisation d'une caméra rapide, il a été possible de déterminer la vitesse des particules d'UHMWPE et par le calcul d'évaluer leur température avant et pendant leur impact. L'efficacité augmente avec d'une part la température et d'autre part la fraction de FNA. Cette efficacité dépend de la compétition entre l'énergie cinétique stockée sous forme d'énergie élastique Eel et l'énergie d'adhésion Ead du polymère à la surface du substrat. Pour que le film polymère se forme, il faut que Ead > Eel. Par ailleurs, Ead dépend de l'interface entre polyéthylène et aluminium, et de la présence de FNA. Les liaisons H disponibles sur la surface des FNA contribuent à l'adhésion, ce qui augmente le domaine de température favorable à la réalisation du dépôt. Concernant la croissance du revêtement, il s'agit cette fois-ci de l'adhésion polyéthylène-polyéthylène, avec toujours l'effet des nanoparticules FNA. Les études microstructurales et mécanique ont montré qu'en frittage conventionnel du UHMWPE sous forte pression, l'ajout de FNA renforce la cohésion des matériaux obtenus, mais que l'effet inverse est observé pour un frittage incomplet (sous faible pression). Enfin, afin d'explorer l'effet de vitesse de sollicitation de l'UHMWPE comparable à celles observées pour le Cold-Spray, des expériences utilisant des barres dites de Split-Hopkinson (SHPB) ont été menées. Les courbes obtenues permettent de disposer d'une cartographie complète du comportement thermo-viscoélasto-plastique de ce polymère, pur ou additionné de FNA. / Recent developments showed polymer coatings to be feasible by cold spray (CS) technique on different surfaces. This is especially important for Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) which cannot be classically processed. But the mechanisms behind coating formation was not largely understood. The thesis presents a mechanistic understanding of high strain rate impact behavior of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene and the mechanism of coating formation during CS. The coating formation is first broken down into two major categories: 1. Interaction of UHMWPE with Al substrate (impacting particle-substrate interaction) during a high-speed impact and interaction of UHMWPE with already deposited UHMWPE particles (impacting particle-deposited particles) leading to a buildup in the coating. First stage of coating formation was understood from a technique developed for this work called Isolated Particle Deposition (IPD). In the experimental IPD process, effects of gas temperature and FNA content were calibrated empirically by depositing UHMWPE particles in an isolated manner on an Al substrate. The Deposition efficiency increased with gas temperature and FNA content. The use of an ultrafast video-camera helped to determine the particle velocity, and theoretical calculations helped to evaluate the temperature of UHMWPE particles before and during the impact process. Mechanical response of UHMWPE at different temperatures were understood by calculating elastic strain energy of UHMWPE which decreased with increasing material temperature and increased with the strain rate. Rebound of UHMWPE particles on Al surface depended upon whether UHMWPE particles after impact furnished a contact area with an interfacial bond stronger than elastic strain energy of the particle. External contributions like H-bonds on the FNA surface provide sufficiently strong extra bonds at the contact surface to increase the window of deposition at higher temperatures, which was otherwise very low. Second stage of coating formation was understood from the mechanism of welding of UHMWPE grains at different interfacial loading conditions and at varying FNA contents. The morphological and mechanical characterization showed that when UHMWPE was processed under high loading conditions (using classical sintering technique), FNA particles reinforced the UHMWPE interface. On the contrary, when UHMWPE was processed under low loading conditions, FNA particles weakened the interface. Last to be discussed in the thesis is the strain rate effect of UHMWPE using Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) experiments, in order to approach comparable conditions to what happens during particle impacts. This part of the study discussed in detail the effects a high strain-rate compression has on UHMWPE by analyzing its stress-strain curves, with and without FNA. Thus, the mechanical response data with the inclusion 0%, 4% and 10% FNA to UHMWPE is also presented and discussed.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρείται μία αντιμετώπιση του προβλήματος της μοντελοποίησης πολυμερών σε πολλαπλές κλίμακες μήκους και χρόνου μέσα από την ανάπτυξη και εφαρμογή νέων αλγορίθμων που, σε συνδυασμό με τους ήδη υπάρχοντες, μπορούν να προσφέρουν μια καθαρή εικόνα για τους δεσπόζοντες μηχανισμούς που καθορίζουν την συμπεριφορά του συστήματος καθώς και να παράσχουν έγκυρες προβλέψεις για τις ιδιότητες δομής, ισορροπίας και διαπερατότητας/φραγής των πολυμερών. / -

Σε αυτήν την εργασία μελετήθηκε η συμπεριφορά της ηλεκτρικής ειδικής αγωγιμότητας συνεχούς, δειγμάτων πολυπυρρόλης και νανοσυνθέτων πολυπυρρόλης/5% w/w TiO2, συναρτήσει της θερμοκρασίας. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν τόσο σε μόλις παρασκευασθέντα δείγματα, καθώς και στα ίδια δείγματα μετά από συγκεκριμένη παραμονή τους σε θερμοκρασία καταπόνησης για διαφορετικά χρονικά διαστήματα. Οι θερμοκρασίες καταπόνησης ήταν 100, 300 και 380Κ. Τα χρονικά διαστήματα στα οποία παρέμεναν τα δείγματα στη συγκεκριμένη θερμοκρασία καταπόνησης κάθε φορά, έβαιναν αυξανόμενα από 0 μέχρι 30 ώρες περίπου. Η θερμική καταπόνηση των δειγμάτων γινόταν σε ατμόσφαιρα δωματίου και σε αδρανή ατμόσφαιρα ηλίου. Η επιφάνεια των δειγμάτων μελετήθηκε με μικροφωτογραφίες SEM πριν και μετά την θερμική καταπόνηση. Τόσο για την καθαρή πολυπυρρόλη, όσο και για τα νανοσύνθετα πολυπυρρόλης/5% w/w TiO2 η αγωγιμότητα ακολουθεί την σχέση , η οποία ισχύει για την περίπτωση υλικού με δομή κοκκώδους μετάλλου. Στη δομή αυτή, αγώγιμες νησίδες πολυμερούς κατανέμονται τυχαία μέσα σε μονωτικό υλικό. Η παραπάνω σχέση ισχύει όταν οι μονωτικοί φραγμοί είναι αρκετά στενοί, έτσι ώστε οι φορείς αγωγιμότητας, λόγω φαινομένου σήραγγος, να περνούν από περιοχές μικρής επιφάνειας, εκεί όπου οι κόκκοι πλησιάζουν πολύ μεταξύ τους. Λόγω του μικρού μεγέθους αυτών των περιοχών διέλευσης, η συγκέντρωση των φορέων εκατέρωθεν του μονωτικού φραγμού εμφανίζει έντονες θερμικές διακυμάνσεις συνοδευόμενες από αντίστοιχες διακυμάνσεις της τάσης, οι οποίες τελικά καθορίζουν την διέλευση των φορέων (μοντέλο FIT – Fluctuation Induced Tunneling). Με βάση το μοντέλο FIT υπολογίστηκαν οι χαρακτηριστικές παράμετροι σ0, T1 και T0. Η παράμετρος σ0 αποτελεί μέτρο της αγωγιμότητας στο εσωτερικό των αγώγιμων νησίδων, η T1 εκφράζει το ύψος του φραγμού της δυναμικής ενέργειας, τον οποίο πρέπει να διασχίσει ο φορέας, ενώ το T0 σε συνδυασμό με την παράμετρο T1 επιτρέπουν τον υπολογισμό της απόστασης s μεταξύ των αγώγιμων νησίδων. Η κλίση των καμπύλων είναι μικρότερη (περίπου η μισή) για τα νανοσύνθετα από ότι για τα δείγματα καθαρής πολυπυρρόλης, τόσο σε ατμόσφαιρα δωματίου, όσο και σε αδρανή ατμόσφαιρα He. Αυτό ερμηνεύεται από το γεγονός ότι, η TiO2 έχει μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα (3.2eV) από την πολυπυρρόλη (2.5eV), οπότε η θερμική διέγερση των φορέων είναι πιο δύσκολη στα δείγματα νανοσυνθέτων. Με τη δομή κοκκώδους μετάλλου συμφωνεί και ο νόμος της θερμικής γήρανσης, , από τον οποίο προκύπτει γραμμικότητα της . Από την κλίση των ευθειών προκύπτει ότι η παρουσία της TiO2 επιβραδύνει τη γήρανση μειώνοντας την κινητικότητα των αλυσίδων του πολυμερούς. Από τις μικροφωτογραφίες SEM συνάγεται ότι η δομή, τόσο της πολυπυρρόλης, όσο και του νανοσυνθέτου δεν είναι συμπαγής, αλλά εμφανίζεται σαν ένα συσσωμάτωμα κόκκων με διαστάσεις 200–300nm. Οι διαστάσεις των νανοσωματιδίων της TiO2 προκύπτουν περίπου 20nm, όπως αναμένεται από τις προδιαγραφές της, ενώ οι διαστάσεις των αγώγιμων νησίδων της πολυπυρρόλης εκτιμώνται με βάση τις αντίστοιχες διαστάσεις των αγώγιμων νησίδων στην πολυανιλίνη, της τάξεως των 20-30nm. Το γεγονός ότι οι διαστάσεις των αγώγιμων νησίδων είναι περίπου ίσες με εκείνες των νανοσωματιδίων TiO2 σημαίνει ότι οι δεύτερες μπορούν να παρεμβάλλονται ανάμεσα στις πρώτες, πράγμα που δικαιολογεί τον ρυθμό μεταβολής του φραγμού δυναμικής ενέργειας, ο οποίος είναι μικρότερος στην περίπτωση του νανοσυνθέτου. Μια άλλη πληροφορία από τις μικροφωτογραφίες SEM είναι ότι, η θερμική καταπόνηση εξομαλύνει το ανάγλυφο της επιφάνειας και συντελεί στην συσσωμάτωση των κόκκων του υλικού. Η διαδικασία αυτή συμβαίνει με την απομάκρυνση του Cl- με μορφή HCl, γεγονός το οποίο μειώνει την αγωγιμότητα λόγω αποπρωτονίωσης των αλυσίδων του πολυμερούς. Αντίθετα, η ταυτόχρονη συσσωμάτωση των κόκκων του υλικού αυξάνει την αγωγιμότητα. Παρατηρούμε ότι συνυπάρχουν δύο ανταγωνιζόμενοι μηχανισμοί μεταβολής της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Οι διαφορές στις ισόθερμες καμπύλες για θερμοκρασίες 100, 300 και 380Κ, σε περιβάλλον ατμοσφαιρικού αέρα, αφενός, και αδρανούς ατμόσφαιρας ηλίου αφετέρου, συνδέονται με τον ρόλο που παίζουν οι εξής παράγοντες: a) Η θερμοκρασία, η οποία καθορίζει την κινητικότητα των πολυμερικών αλυσίδων και τη διέγερση των φορέων αγωγιμότητας, καθώς και το ρυθμό διάχυσης και την ταχύτητα των χημικών αντιδράσεων με το οξυγόνο και την υγρασία του αέρα. Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης Tg για την PPy, πάνω από την οποία συμβαίνουν συνεργατικές κινήσεις των αλυσίδων, ποικίλει ανάμεσα στους 250 και στους 400Κ και εξαρτάται από τη μέθοδο παρασκευής, τη φύση των προσμίξεων και τη θέση που καταλαμβάνουν μέσα στο υλικό, είτε συμμετέχοντας στη δομή της αλυσίδας, είτε σχηματίζοντας πλευρικούς κλάδους. b) Η ύπαρξη οξυγόνου και υγρασίας του ατμοσφαιρικού αέρα, τα οποία, όπως έχει αναφερθεί παίζουν σημαντικό ρόλο στον τεμαχισμό των αλυσίδων, ο οποίος καταστρέφει το συζυγή χαρακτήρα του υλικού. c) Η ύπαρξη TiO2, η οποία χαρακτηρίζεται από ενεργειακό χάσμα μεγαλύτερο από εκείνο της PPy και σε υψηλές θερμοκρασίες συντελεί στην μεταφορά οξυγόνου στο πολυμερές με αποτέλεσμα ανάλογο με εκείνο που προκαλεί το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα. Ειδικότερα οι καμπύλες στους 100Κ δείχνουν τον καθοριστικό ρόλο του οξυγόνου και της υγρασίας στην μείωση της αγωγιμότητας σε ατμόσφαιρα δωματίου. Επί πλέον σε ατμόσφαιρα He αποκαλύπτουν μηχανισμό αύξησης της αγωγιμότητας. Στους 300Κ η παρουσία TiO2 εξασθενεί τον μηχανισμό βελτίωσης των αλυσίδων, διότι τα νανοσωματίδια μειώνουν την κινητικότητα και επομένως την διευθέτηση των πολυμερικών αλυσίδων και την αύξηση της αγωγιμότητας. Τα μέγιστα που παρατηρούνται στα πρώτα 10min αποδίδονται στη βελτίωση της διάταξης των αλυσίδων του πολυμερούς. Για μεγαλύτερους χρόνους επικρατούν οι καταστροφικοί μηχανισμοί γήρανσης, λόγω της παρουσίας οξυγόνου και υγρασίας, αλλαγές της δομής, οι οποίοι αποκόπτουν τους δρόμους διέλευσης των φορέων, με αποτέλεσμα την μείωση της αγωγιμότητας. Εξαίρεση αποτελεί η πολυπυρρόλη σε ατμόσφαιρα He, όπου η έλλειψη οξυγόνου και υγρασίας έχει σαν αποτέλεσμα τη αύξηση της αγωγιμότητας σε όλη τη διάρκεια της θερμικής καταπόνησης. Εντελώς διαφορετική είναι η συμπεριφορά του νανοσυνθέτου πολυπυρρόλης/5% w/w TiO2 στη θερμοκρασία των 300Κ σε ατμόσφαιρα He. Η μείωση της αγωγιμότητας με την θερμική καταπόνηση μπορεί να αποδοθεί στη μεταφορά οξυγόνου από την TiO2 στο πολυμερές, με αποτέλεσμα τον τεμαχισμό των αλυσίδων και τη μείωση της αγωγιμότητας. Τέλος, στους 380Κ η εμφάνιση του μέγιστου είναι λιγότερο έντονη και δείχνει ότι στη θερμοκρασία αυτή, υπερισχύουν πολύ περισσότερο οι καταστροφικοί μηχανισμοί, τόσο παρουσία ατμοσφαιρικού αέρα, όσο και αδρανούς He. / In this thesis, the DC specific conductivity was studied on polypyrrole (PPy) and polypyrrole/5% w/w TiO2 nanocomposite samples as a function of temperature. The measurements were carried out οn fresh as well as οn samples that had remained at an ageing temperature for specific time periods. The ageing temperatures were 100, 300 and 380K. The time periods for which the samples were aged started from 0 and led up to 30 hrs approximately. The thermal ageing was conducted in room atmosphere as well as in inert He. The surface of the samples was studied with Scanning Electron Microscopy (SEM), before and after thermal treatment. Both for PPy and PPy/5% w/w TiO2 nanocomposites the specific DC conductivity follows the relation , which is valid in the case of materials with a granular metal structure. In this structure, conducting islands of polymer are randomly distributed in an electrically insulating substrate. The above relation is valid when the insulating barriers are narrow enough so that the charge carriers, because of the tunneling effect, can pass through regions of little area, where the grains are close to one another. Because of the small size of these regions, the density of carriers on either side of the insulating barrier exhibits intense thermal fluctuations, which are accompanied by corresponding fluctuations in voltage, which, in effect, determines the passage of carriers (Fluctuation Induced Tunneling model – FIT). Based on the FIT model, the characteristic parameters σ0, T1 and T0 were calculated. The parameter σ0 is a measure of the conductivity inside the conducting islands, T1 expresses the height of the potential energy barrier, which the carrier must overcome, whilst T0 in conjunction with parameter T1, allows the calculation of the distance s between the conducting islands. The slope of the curves is of lower value (about half) for the nanocomposites than for the pure PPy samples, both in room atmosphere measurements, as well as for inert He ones. This can be explained by the fact that TiO2 has a higher band gap (3.2eV) than polypyrrole (2.5eV), thus the thermal excitation is harder for nanocomposite samples. The thermal ageing law is in agreement with the granular metal model, from whom we can derive the linearity of . By the slope of the lines, we derive that the presence of TiO2 slows the ageing by diminishing the mobility of the polymer chains. By SEM microphotographs it is deducted that the structure, of both polypyrrole and the nanocomposites, is not compact, but appears as an aggregate of grains with diameters of 200-300nm. The dimensions of the TiO2 nanoparticles are about 20nm, as we expected by the specifications of the titania used, whilst the dimensions of the conducting islands of polypyrrole are estimated, based on the corresponding structures in conducting polyaniline, in the order of 20-30nm. The fact that the dimensions of the conducting islands are about the same as the size of the TiO2 nanoparticles, means that the latter can intervene between the islands, which can justify the rate of change of the height of the potential energy barrier that is smaller in the case of the nanocomposite. Another piece of information derived from the SEM microphotographs is that the thermal treatment acts to smooth the relief of the surface and contributes to the agglomeration of the material grains. This process happens with the removal of Cl- in the form of HCl, something that diminishes the conductivity because of deprotonation of the polymer chains. In contrast, the simultaneous agglomeration of the materials’ grains improves conductivity. We observe that there coexist two competing mechanisms of electrical conductivity change. The difference in the isothermal curves for temperatures of 100, 300 and 380K, in room atmosphere and in inert He, are linked to the role of these factors: a) The temperature, which determines the mobility of the polymer chains and the excitation of the carriers, as well as the rate of diffusion and the speed of chemical reactions with oxygen and moisture of the air. We have to consider that the glass transition temperature Tg of PPy, above which cooperative movements of the chains occur, varies between 250 and 400K and is strongly dependant on the method of synthesis, the nature of the dopants and their position in the material, either contributing in the chain structure or by forming side chains. b) The existence of oxygen and moisture of the atmosphere, which, as we have mentioned, play an important role in the scission of polymer chains that destroys the conjugated character of the material. c) The existence of TiO2, which is characterized by a higher bang gap than PPy, in higher temperatures contributes to the transfer of oxygen to the polymer leading to the same result as the oxygen of atmospheric air. Especially, the isothermal curves for 100K show the determining role o oxygen and moisture to the diminishing of the conductivity in ambient atmosphere. In addition, in He atmosphere they reveal a conductivity improving mechanism. At 300K, the presence of TiO2 weakens the mechanism responsible for the improvement of conductivity, because the nanoparticles diminish the mobility and therefore the ordering of polymer chains and the increase of conductivity. The maxima that are observed during the first 10min are attributed to the improvement of the chain ordering of the polymer. For longer times, the ageing mechanisms dominate, due to the presence of oxygen and moisture, changes in the structure that sever the carrier pathways, result in diminishing of the conductivity. An exception to the above is the case of pure PPy in inert he atmosphere, where the lack of oxygen and moisture results in the increase of conductivity during all of the ageing process. Completely different behaviour is observed in the PPy/5% w/w TiO2 nanocomposites at 300K in He atmosphere. The diminishing of the conductivity with ageing can be attributed to the transfer of oxygen from TiO2 to the polymer, resulting in scission of the chains and lowering of the conductivity values. In conclusion, at 380K, the appearance on a maximum is less intense and it shows that at this temperature, the conductivity reducing mechanisms are far more dominant, both in room atmosphere as well as in inert He.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης της θερμικής κόπωσης στη μηχανική συμπεριφορά κοκκωδών συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας ενισχυμένης με κόκκους ελαιοπυρήνα υπό μορφή σκόνης. Τα σύνθετα υλικά που κατασκευάσθηκαν μελετήθηκαν πειραματικά και τα αποτελέσματα αναλύθηκαν και προβλέφθηκαν θεωρητικά. Αρχικά πραγματοποίηθηκε η κατασκευή των συνθέτων υλικών σε διάφορες περιεκτικότητες σε κόκκους ελαιοπυρήνα. Από τον μηχανικό χαρακτηρισμό με στατικά πειράματα κάμψης τριών σημείων όλων των συνθέτων υλικών που κατασκευάστηκαν, διαπιστώθηκε η ενισχυτική ικανότητα του ελαιοπυρήνα σε μορφή σκόνης όταν αυτή χρησιμοποιείται ως υλικό ενίσχυσης για την κατασκευή συνθέτων υλικών. Ενώ, στη συνέχεια μελετήθηκε και η επίδραση της θερμικής κόπωσης στη μηχανική συμπεριφορά των συνθέτων υλικών που κατασκευάστηκαν. Τέλος, εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικά μοντέλα πρόβλεψης του μέτρου ελαστικότητας συναρτήσει της περιεκτικότητας καθώς και της εναπομείνουσας αντοχής και δυσκαμψίας συναρτήσει των κύκλων θερμικής κόπωσης και έγινε σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τις αντίστοιχες προβλέψεις. Από τη σύγκριση αυτή παρατηρούμε ότι τα θεωρητικά μοντέλα που εφαρμόστηκαν που είναι το Μ.P.M (Modulus Predictive Model) και το R.P.M (Residual Properties Model) έδωσαν πολύ καλές προβλέψεις για την μεταβολή των ιδιοτήτων. Σαν γενικό συμπέρασμα από την παρούσα εργασία προκύπτει το γεγονός ότι το φθηνό και ελαφρύ υλικό του ελαιοπυρήνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σαν υλικό ενίσχυσης ρητινών με πολύ καλά αποτελέσματα ενίσχυσης. / The aim of the present master thesis is to investigate the effect of thermal fatigue on the mechanical properties of particulate composites reinforced with olive pit’s powder. The composites materials that have been manufactured were investigated both; experimentally and theoretically. First, we manufactured composites reinforced with olive pits at different volume fractions of the filler particles. From the mechanical characterization of the materials investigated by means of static three-point bending experiments. It was found that the olive pits can reinforce the mechanical properties of composites materials when used as reinforced fillers. Next, the effect of thermal fatigue on the mechanical behaviour of the composites materials was investigated and theoretical predictions for their properties with and without thermal fatigue were made. More precisely, the Μ.P.M (Modulus Predictive Model) and the R.P.M (Residual Properties Model) models have been applied. A fair aggreement between experimental findings and theoretical predictions was found in all cases.

Στην εργασία αυτή μελετήθηκε η μεταβολή της ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας συναρτήσει της θερμοκρασίας για την πολυπυρρόλη, την πολυανιλίνη καθώς και συνθέτων αυτών εμπλουτισμένων με οξείδιο του ψευδαργύρου και ατμούς μεταλλικού ιωδίου με σκοπό την εφαρμογή των παραπάνω υλικών ως υποστρώματα σε φωτοβολταϊκές κυψελίδες (solar cells). Τα παραπάνω υλικά ανήκουν στην κατηγορία των οργανικών ημιαγωγών και αποτελούν τη λεγόμενη "τέταρτη γενιά" πολυμερών. / In this work the thermal aging of conducting polyaniline and polypyrrole and their blends with ZnO : (PPy/ZnO (x% w/w) with x =10, 20, 30, 40),PANI/ZnO (20% w/w) and iodine has been investigated for the application of these materials as substrates in photovoltaic cells. Today, research is focused on the organic solar cells, in which the electrical current flow is due to molecules, which play the role of donors or acceptors of electrical charge. Organic PV cells have the advantages of easy construction, low cost and they are friendly to the environment. Indium tin oxide is used as anode in organic PVs, which is characterized by high concentration of charge carriers and is used for the injection of positive charge carriers (holes) in the organic active layer. For all the samples conductivity followed one of the models: 1. FIT (Fluctuation Induced Tunneling), in the case that we have a granular metal structure, in which conductive grains are separated by insulating barriers. These insulating barriers are narrow enough for the carriers to tunnel through small areas where the grains are closest together and the conductivity is dominated by the thermal fluctuations of the carriers in these areas. The relationship σ=f(T) is given by σ=σ0 exp[-T1/T0+T]. From T1 and T0 the distance s between the grains can be determined. In this work the FIT model applied to the sample of pure polypyrrole throughout the duration of thermal degradation. 2. CELT (Charging Energy Limited Tunneling), in the case that we have a granular metal structure, through which the carriers move by tunneling effect. T0 is related directly to the ratio s/d, where s is the main separation and d is the mean diameter of the grains and can give informations about the shrinking of the grains during aging. The relationship between σ and T is given by: σ=σ0 exp[-(Τ0/Τ)γ] where σ0 and T0 are indepedent factors of the temperature and 0 < γ < 0,25. In this work the CELT model applied for the samples of pure polyaniline, PPy/ZnO (10% w/w), PPy/ZnO (20 %w/w), PANI/ZnO (20% w/w) and PPy/I throughout the duration of thermal degradation. 3. Mott (Variable range hopping model), in the case of heterogeneous structures of amorphous materials. The conductivity takes place by thermally activated electron hopping between localized states near Fermi energy. The localization is due to the randomly distributed atoms or molecules in the material. The relationship describing the change in conductivity with T is similar to that of the CELT model, with the exponent γ is roughly equal to 0,25. In this work the Mott model applied for the samples PPy/ZnO(40% w/w) and PPy/I (sublimation with iodine vapour for 24 h). The degreasing of conductivity σ, with thermal aging time t for a substance with a granular metal structure follows the law: σ=σαρχ exp[-(t/τ)0,5] where τ is the time which characterizes the aging. All our composites followed this relation, ensuring a granular metal structure. It also became apparent that heating greatly reduces the electrical conductivity of our composites. The thermal degradation of PANI at room temperature (300K) gives τ = (350 ± 50) h, though at 120 0C PANI gives τ = (18 ± 4) h, indicating a much faster degradation as it is expected. The characteristic parameter τ has been calculated for all the materials used in this work.

Le développement de techniques de suivi in situ de réactions de polymérisation en émulsion est un véritable enjeu, motivé par le désir d’établir des relations entre structure, propriétés physico-chimiques et propriétés d’usage du latex final. Par ailleurs, ces techniques fournissent des informations sur les phénomènes chimiques et physico-chimiques mis en jeu qui contribuent à une meilleure compréhension. Des études récentes montrent que la spectroscopie Raman peut être une technique adaptée à cette problématique, de par sa simplicité de mise en œuvre (transportabilité, adaptabilité de l’appareillage, etc.), la performance de la mesure (temps d’acquisition de l’ordre de la seconde) et la richesse des informations fournies (de l’échelle moléculaire à celle du matériau). L’objectif de notre travail a été de déterminer le potentiel de la spectroscopie Raman quant au contrôle de la polymérisation en macroémulsion du styrène tant au niveau du bon déroulement de la réaction (conversion…) qu’au niveau des propriétés du latex formé (stabilité…). Pour réaliser ce travail expérimental, un pilote de polymérisation a été installé pour la première fois au sein du laboratoire des Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes (LMOPS). La particularité de notre système est qu’il a été conçu pour conserver le maximum de liberté pour la réalisation de l’étude spectroscopique (montages optiques). La première partie de notre projet a donc été de déterminer un protocole adapté à ce pilote, tant au niveau de la réalisation de la synthèse de latex de polystyrène stabilisé qu’au niveau de l’acquisition de données spectroscopiques. Par la suite, nous avons démontré que la spectroscopie Raman était une technique adaptée au suivi in situ de la cinétique de polymérisation du styrène en macroémulsion. Le suivi du taux de conversion du styrène en polystyrène a été réalisé selon deux méthodes qui reposent sur des principes différents : la première basée sur la variation de l’aire de bandes spécifiques est une approche classique de la quantification de cette grandeur alors que la deuxième, basée sur la modification de la position d’une bande commune au monomère et à son polymère est une méthode innovante. A partir de ces données expérimentales et grâce à une méthode de filtrage adaptée, la quantification de la vitesse de polymérisation a été proposée pour la première fois. Ces données expérimentales ont été comparées à la théorie mécanistique et cinétique de référence de ce procédé, ainsi qu’à de précédents résultats expérimentaux, obtenus par d’autres techniques. Alors que les résultats expérimentaux s’accordent, ils montrent tous une déviation par rapport à la théorie. Enfin, par l’étude approfondie de la variation de l’aire d’une bande de référence, commune au monomère et au polymère, nous avons démontré que la spectroscopie Raman était sensible au phénomène de diffusion élastique, diffusion du faisceau laser par les éléments dispersés dans le milieu réactionnel. Cela se traduit par une modification de l’intensité du signal collecté et permet donc de détecter une transition caractéristique du procédé de polymérisation étudié : la disparition des gouttelettes réservoir de monomère, qui apparaît vers 40% de conversion dans le cas du styrène / The development of in situ monitoring techniques of emulsion polymerization reactions is a real current challenge. First, it may help establish relations between the structure, the physicochemical properties and the performance properties of final latexes. Moreover, it brings a better understanding of chemical and physicochemical phenomenon that happened. Easy installation, performance of measures and abundance of information gathered (from molecular to material scales) make the Raman spectroscopy an adequate technique for this kind of issue, as shown in recent studies. The main goal of that work was to demonstrate the capacity of the Raman spectroscopy to control the polymerization of styrene via macroemulsion process, in terms of smooth reaction process (conversion, …) and final properties of the latex (stability, …). This work was carried in the laboratoire des Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes (LMOPS) where a polymerization pilot was implemented for the first time. The latest has been designed in order to ensure a maximum freedom for spectroscopic measurements (optical setup). Because of this special design, the first part of this work was to adapt experimental conditions, in terms of polymer latex synthesis and spectroscopic data acquisition. Thereafter, we proved that Raman spectroscopy could be a suitable technique for real time in situ conversion monitoring in the case of the polymerization of styrene via macroemulsion process. The monomer conversion monitoring has been realized in two different methods: the first one is well-known and is based on monitoring changes in the normalized Raman signal of specific band and the second one is an innovative method that is based on the Ramanshift of a common band of styrene and polystyrene. On the basis of these experimental data and using a suitable smoothing method, the polymerization rate was quantified for the first time. The results were compared to the theory of this polymerization process and previous experimental results from other experimental techniques. Whereas experimental results show similarities, they all show a deviation from the theory. Finally, an in-depth study of the impact of the heterogeneity of the reaction media on the Raman signal has been made. We have demonstrated that this latest was sensitive to elastic scattering of light by dispersed particles. The influence of elastic scattering on the intensity of the collected Raman signal makes the Raman spectroscopy a suitable method to detect a specific transition of the polymerization process: the disappearance of monomer droplets around 40 % of conversion in case of styrene

Pour la confection des matériaux polymères à base de caoutchouc, le noir de carbone (NC) reste la charge renforçante la plus utilisée. Sa caractérisation morphologique et nano structurale est essentielle dans la maitrise des propriétés physico-chimiques qu’il confère aux matériaux auxquels il est mélangé. Les analyses classiques ne permettent d’accéder que de façon indirecte et incomplète à ces propriétés. Cette thèse propose une méthode de caractérisation innovante par le couplage d’un détecteur STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy) et d’une chaine d’analyse d’images complètement automatique pour identifier les types de NC. Une étude statistique approfondie d’une centaine de caractéristiques morphologiques et structurales des NC a été réalisée sur les 6000 images STEM acquises. Cette étude a permis d’introduire 7 nouveaux descripteurs et de sélectionner les 37 descripteurs les plus discriminants pour la création du modèle d’identification. Pour rendre le processus le plus automatique possible, un algorithme de segmentation non supervisé a été développé et évalué. Cinq classifieurs ont ensuite été entraînés et comparés sur une base de près de 65000 agrégats. Le modèle le plus adapté s’avère les réseaux de neurones avec une identification des NC avoisinant les 100%. L’identification étant réalisée à partir de projections 2D des agrégats via les images STEM, une confrontation statistique valide la capacité des descripteurs 2D à caractériser la structure tridimensionnelle des NC observée par tomographies électroniques. L'approche complète proposée, depuis le protocole de préparation des échantillons et l'acquisition d'images STEM jusqu'à leur classification en passant par les étapes d'analyse d'images, offre une nouvelle méthode de caractérisation fiable des NC (à l’état natif ou au sein de mélanges élastomères) exploitable en routine. / In the field of rubber material development, CB is the most commonly used reinforcing filler. The characterization of CB morphology and nanostructure is therefore crucial to understand the physicochemical properties induced by the introduction of CB in rubber materials. Classical analytical methods only allow indirect and incomplete access to these properties. This PhD offers an innovative method that allows the automatic identification of CB grades by coupling Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) detector and image processing chain. A thorough statistical investigation over a hundred of morphological and structural characteristics of CB was performed on a set of 6000 STEM images. This study has introduced 7 new features and selected the 37 most discriminating descriptors to create the final model. An unsupervised segmentation algorithm has been developed and evaluated in order to build an automatic process as efficient as possible. Then, five classifiers were trained and compared on a base of nearly 65,000 aggregates. It appears that the most suitable descriptor is the Neuron networks as it gives a perfect recognition. As the recognition model is based on 2D projections of CB aggregates, it is necessary to verify that the chosen descriptors are indeed able to correctly characterize the three dimensional structure of CB. The statistical comparison of the 2D descriptors with 3D descriptors extracted from electronic tomography images has been successful, and therefore demonstrates the relevance of the model. The proposed approach, starting from the sample preparation and STEM acquisitions to their classification and through the image analysis steps, offers a new and innovative method for the reliable characterization of CB. This method can be used routinely on raw CB or CB extracted from vulcanizes rubbers.

Une alternative aux produits industriels de type phénol ou résorcinol peut être des tanins ou de la lignine. Les deux sont des polyphénols naturels, le tanin est extrait de différentes parties de plantes, tandis que la lignine est habituellement obtenue comme sous-produit dans les industries papetières. Ces deux produits sont la base principale sur laquelle j’ai travaillé pendant le développement de cette thèse. Dans une première partie, une étude de caractérisation et de différenciation entre différents tannins ayant la même origine mais que présentent un comportement différent lorsqu'ils sont utilisés dans la même application dans les mêmes conditions a été effectuée. Cette étude met en évidence la GPC comme technique fondamentale pour la différenciation des tanins de quebracho sulfités. D'autre part, les interactions entre différentes substances avec du tanin et de la lignine ont été étudiées. Comme l’étude de la réaction entre les diamines (telles que l'hexaméthylènediamine) avec du tanin et de la lignine pour obtenir des résines polycondensées. En outre, dans cette section ont été obtenus des polyuréthanes avec au moins 70% de substances naturelles dans leur préparation sans utiliser d'isocyanate dans le procédé. De plus, des aldéhydes dérivés de la lignine, comme la vanilline, ont été utilisés avec le tanin de pin pour la fabrication d'adhésifs dans la préparation de panneaux de particulaires, obtenant des résultats satisfaisants selon les normes européennes et des substances complètement naturelles. Enfin, dans le cadre d'un projet industriel les étapes initiales pour le développement d'une mousse de tanin rigide applicable par projection pour l'isolation thermique des bâtiments ont été réalisées. Lorsqu'un nouveau système de moussage mécanique a été développé pour des mousses de tanin basées sur des mousses de lutte contre incendie à base de tanin ou dans les mousses des opérations d’ouverture du tunnel, ce nouveau système de moussage évite les problèmes de retrait lors de la formation de la mousse / An alternative to industrial phenol or resorcinol industrial products may be tannins or lignin. Both are natural polyphenols, the tannin is extracted from different parts of plants, while lignin is usually obtained as a secondary product in the pulp and paper mill. These two products are the main basis on which I have worked during the development of this thesis. In a first part, a study of characterization and differentiation between different tannins with the same origin and that present a different behavior when used in the same application under the same conditions has been done. Highlighting the GPC as a fundamental technique for the differentiation between sulphited quebracho tannins. On the other hand, the interactions between different substances with tannin and with lignin have been studied. As the study of the reaction between diamines (such as hexamethylenediamine) with tannin and lignin to obtain a polycondensed resins. Also, in this section have been obtained polyurethanes with at least 70% of natural substances in their preparation without using any isocyanate in the process. In addition, aldehydes derived from lignin, such as vanillin, have been used next to pine tannin for the manufacture of adhesives in the preparation of particleboards, obtaining satisfactory results according to European standards and from completely natural substances. Finally, within an industrial project the initial steps have been carried out for the development of a rigid tannin foam applicable by projection for the thermal insulation of buildings. Where a new mechanical foaming system has been developed for tannin foams based in fire-fighting foams or in the foams of the tunneling operations, this new system of foaming avoids the problems of shrinkage during the formation of the foam

La réduction de la consommation en carburant des voitures est une préoccupation importante. L'objectif est de réduire les frottements entre pièces mobiles du moteur à travers la formulation du lubrifiant.Un lubrifiant est composé d'une huile de base et d'additifs afin d'ajuster les propriétés de l'huile moteur. En particulier, des polymères sont utilisés pour limiter la perte de viscosité avec la température afin de protéger au mieux les pièces du moteur. Le fonctionnement de ce type d'additifs, appelés améliorants de viscosité (AVI), est basé sur le gonflement avec la température des chaines polymères. Le paramètre le plus important à prendre en compte dans la formulation d'un lubrifiant est sa viscosité ainsi que sa dépendance en température. Le but de ce travail a été d'étudier l'influence de polymères AVI récemment commercialisés afin de sélectionner le plus efficace dans le cadre d'une application moteur, tout en éclaircissant les mécanismes d'action en jeu à l'échelle moléculaire dans ce type de systèmes. Les propriétés rhéologiques de poly(alkyle méthacrylates) en solution ont été étudiées à l'aide de tests standards dans le but de comprendre l'influence des lubrifiants sous pression et dans des conditions confinées. La dégradation de ce type de polymère a également été considérée à travers un test standard afin de vérifier si les performances du polymère sont conservées dans le temps. Les comportements en dégradation et en tribologie ont pu être rationalisés par des considérations de volume occupé par le polymère. / The reduction of car fuel consumption is one of the biggest concerns for oil companies. It involves the reduction of friction between moving parts through the formulation of lubricants.A lubricant is composed of base oil and several additives used to improve the properties of engine oils. Polymeric compounds are used to limit the decrease of viscosity with temperatures to efficiently protect the motor. This type of additives, called Viscosity Index Improver (VII), is based on the swelling of polymer chains with temperature. The most important parameter in the lubricant formulation is the viscosity and its dependance on temperature. The aim of the work was to study the influence of recently developed families of VII additives in different base oils in ordrer to select the most efficient type of polymer for engine lubricant uses, by understanding the molecular mechanisms responsible of the VII behavior. Various polyalkylmethacrylates were investigated to establishing the rheological properties of the solutions, namely as a function of temperature (dependence of intrinsic viscosity). For a given base oil, the efficiency of a VII varies with its chemical structure, its molecular weight and its concentration. Then, tribological properties were investigated using standard tests with the aim to obtain an overview of the lubricant's behavior under pressure. We also considered the degradation of this kind of polymers in a representative test in order to check the performance's durability. Degradation and tribological behaviors were rationalized in terms of volume occupied by polymer chains.

Ce projet de thèse entre dans le cadre de nombreux développements réalisés au sein du département Advanced Materials and Structure (AMS) du Centre de Recherche Public Henri Tudor (CRP-HT) dédiés aux activités "Surfaces & Interfaces" et consiste à développer une technique de dépôt innovante basée sur l'association de différents lasers (Nd : YAG et Excimère) et d'un système de pulvérisation cathodique magnétron dans le but d'élaborer des surfaces superhydrophobes. L'association des techniques permet de contrôler la microstructure de plusieurs substrats par ablation laser et de déposer simultanément un polymère plasma fluoré par pulvérisation magnétron à partir d'une cible PTFE. Par le biais de cette association, il est possible d'obtenir non seulement des propriétés superhydrophobes sur un grand nombre de substrats mais également de contrôler précisément les régimes de mouillages. / In this work, the development consisted in combining magnetron sputtering with a Nd-YAG or excimer lasers to provide additional properties to the deposited plasma polymer films. These both techniques are totally complementary, according to technical requirements, and provide an enhancement in the control of surface / interface chemical composition and structure leading to advanced properties. The innovative deposition technique developed in our laboratory, based on Laser-Assisted Magnetron Sputtering (LAMS), evidenced novel possibilities. lndeed, we especially highlighted the opportunity to control various polymer substrates patterning simultaneously to the plasma polymer deposition process. One of the most interesting results concerns the achievement of superhydrophobic properties on various polymer substrates with a high control in the wetting regime.