Avec le développement des techniques d’imagerie telles que la tomographie par rayons X au cours des dernières années, il est maintenant possible de prendre en compte la microstructure réelle dans les simulations des matériaux composites. Cependant, la complexité des composites tels que des fibres inclinées et brisées, les vides, exige un grand nombre des données à l’échelle microscopique pour décrire ces détails et amène ainsi des problèmes difficiles en termes de temps de calcul et de mémoire lors de l’utilisation de méthodes de simulation traditionnelles comme la méthode Eléments Finis. Ces problèmes deviennent encore plus sérieux dans la simulation de l’endommagement, comme la propagation des fissures. Par conséquent, il est nécessaire d’étudier des méthodes numériques plus efficaces pour ce genre de problèmes à grande échelle. La méthode Multigrille (MG) est une méthode qui peut être efficace parce que son coût de calcul est proportionnel au nombre d’inconnues. Dans cette thèse, un solveur de MG efficace pour ces problèmes est développé. La méthode MG est appliquée pour résoudre le problème d’élasticité statique basé sur l’équation de Lamé et aussi le problème de la propagation de fissures basé sur une méthode de champ de phase. La précision des solutions MG est validée par une solution analytique classique d’Eshelby. Ensuite, le solveur MG est développé pour étudier le processus d’homogénéisation des composites et ses solutions sont comparées avec des solutions existantes de la littérature. Après cela, le programme de calcul MG est appliqué pour simuler l’effet de bord libre dans les matériaux composites stratifiés. Une structure stratifiée réelle donnée par tomographie X est d’abord simulé. Enfin, le solveur MG est encore développé, combinant une méthode de champ de phase, pour simuler la rupture quasi-fragile. La méthode MG présente l’efficacité à la fois en temps de calcul et en mémoire pour résoudre les problèmes ci-dessus. / With the development of imaging techniques like X-Ray tomography in recent years, it is now possible to take into account the microscopic details in composite material simulations. However, the composites' complex nature such as inclined and broken fibers, voids, requires rich data to describe these details and thus brings challenging problems in terms of computational time and memory when using traditional simulation methods like the Finite Element Method. These problems become even more severe in simulating failure processes like crack propagation. Hence, it is necessary to investigate more efficient numerical methods for this kind of large scale problems. The MultiGrid (MG) method is such an efficient method, as its computational cost is proportional to the number of unknowns. In this thesis, an efficient MG solver is developed for these problems. The MG method is applied to solve the static elasticity problem based on the Lame's equation and the crack propagation problem based on a phase field method. The accuracy of the MG solutions is validated with Eshelby's classic analytic solution. Then the MG solver is developed to investigate the composite homogenization process and its solutions are compared with existing solutions in the literature. After that, the MG solver is applied to simulate the free-edge effect in laminated composites. A real laminated structure using X-Ray tomography is first simulated. At last, the MG solver is further developed, combined with a phase field method, to simulate the brittle crack propagation. The MG method demonstrates its efficiency both in time and memory dimensions for solving the above problems.

Carbone Savoie est une société française spécialisée dans les solutions cathodiques en carbone et graphite pour l’électrolyse de l’aluminium primaire. La fabrication de ces produits requiert un savoir-faire important en raison de la complexité de procédé. Le malaxage, première étape du procédé, permet le mélange intime des particules carbonées et d’un liant. Les grains carbonés de tailles variées comme le coke calciné, anthracite calciné, et le graphite constituent un empilement multimodal d’une dizaine de microns à quelques centimètres. Le liant actuel est liquide à haute température, se caractérise par un haut rendement en carbone, est cokéfiable mais toxique. La législation européenne sur les produits chimiques (REACH) l’a identifié comme « substance extrêmement préoccupante », le risque associé étant une interdiction de son utilisation. Dans ce contexte, Carbone Savoie a lancé un projet de recherche visant à substituer cette matière première dangereuse. Le premier objectif a été de déterminer des compositions possibles pour ce nouveau liant ainsi que leur comportement rhéologique. Une première composition a montré un comportement newtonien à pH basique. Un additif à point de gélification, dont le comportement a fait l’objet d’une étude, a été utilisé pour une deuxième composition. La meilleure méthode de mélange fut ensuite sélectionnée puis son efficacité avec le nouveau liant validée. Une troisième composition, qui est une suspension, a montré un comportement rhéofluidifiant. Cette dernière s’est avérée être la meilleure candidate pour substituer le brai. Le deuxième objectif du travail a été la détermination des conditions de malaxage avec le nouveau liant. L’étude du mélange granulaire carboné est basée sur une méthode de suivi d’intensité de malaxage. Grâce à la courbe d’intensité enregistrée en fonction du ratio massique liquide/solide, les différents états de l’eau dans le mélange en fonction de la saturation en liant du système ont été définis : régime pendulaire, funiculaire, capillaire et goutte. Le régime capillaire est particulièrement intéressant car il s’agit du régime d’extrusion des cathodes. L’influence sur le procédé (cinétique de mouillage, étendue du régime capillaire) de la viscosité du liant a été étudiée : une viscosité élevée permet une plus grande tolérance du procédé vis-à-vis des variations de l’empilement granulaire des matières sèches d’une formulation à l’autre ou encore la difficulté de produire des poudres de granulométrie fixe. Enfin, une corrélation entre les résultats obtenus et l’échelle industrielle a été trouvée. Les propriétés finales d’une cathode peuvent être reliées à la qualité de la pâte en sortie de malaxeur grâce à la détermination de la cohésion via une cellule de cisaillement annulaire. / Carbone Savoie is a French company specialized in the production of carbon and graphite cathodic solutions for the primary aluminum industry. The production of cathodes requires an important know-how because of its complex manufacturing process. The first step of the process consists in mixing the carbonaceous raw materials with a binder. The raw materials (calcined coke and anthracite or graphite) have different size and represent a multimodal carbon aggregate (from tens of microns to a few centimeters). The current binder is liquid at high temperature, has a high carbon yield and is coking but poisonous. The European regulations on chemical products (REACH) identified the pitch binder as “substance of very high concern”. Therefore, that product could become prohibited. Within this context, Carbone Savoie initiated a research project in order to substitute that hazardous material. First of all, the project aims at determining possible compositions for the new binder and to describe their rheological behavior. A first formulation had a Newtonian behavior for high pH values. An additive with a gel point which behavior has been studied was used for a second formulation. The best mixing process was then chosen and its efficiency was tested with this new binder. A third formulation which was a suspension showed a shear-thinning behavior. It appeared to be the best candidate to substitute pitch as a binder for the production of cathode blocks. The second goal of the project was the determination of the mixing conditions with this new binder. The study of the mixing of the carbon aggregate with the binder is based on a tracking of the mixing intensity. Thanks to the plot of the intensity-liquid/solid ratio curve, different states were defined for the system according to the binder content (pendular state, funicular state, capillary state and solid/liquid dispersion state). The capillary state is of a major concern because the paste is extruded in that state. The impact on the process (wetting kinetics, width of the capillary state) of the rheological behavior of the binder has been studied: a high viscosity allows a better tolerance to the variability in the size of the carbon aggregate from a formulation to another and also to the trouble of producing powders with very small particles sizes. Finally, a correlation between these results and the industrial scale has been found. Final properties of cathodes blocks can be linked with the paste quality just after the mixing step thanks to the determination of the paste cohesion with a ring shear tester.

Les composites thermoplastiques préimprégnés suscitent un intérêt croissant pour l'industrie automobile grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques et leur procédé de fabrication rapide. Dans ce contexte, la modélisation et la simulation numérique des procédées de mise en forme de pièces composites à géométries complexes sont nécessaires pour prédire et optimiser les pratiques de fabrication. Cette thèse est consacrée à la modélisation et à la simulation du comportement de consolidation des composites thermoplastiques préimprégnés lors du processus de mise en forme. Un nouvel élément solide-coque prismatique à sept nœuds est proposé: six situés aux sommets et le septième situé au centre. Le champ de cisaillement transverse est supposé afin de réprimer le verrouillage de cisaillement transversal. La méthode de déformation renforcée supposée par addition d'un DOF de déplacement supplémentaire depuis le nœud central et un schéma d'intégration réduit sont combinées offrant un champ de déformation linéaire le long de la direction d'épaisseur pour contourner le verrouillage. De plus, une procédure de stabilisation de sablier est employée afin de corriger le défaut de rang de l'élément pour le pincement. Cet élément utilise un modèle de relaxation viscoélastique pour modéliser le comportement tridimensionnel de composites thermoplastiques préimprégnés avec effet de consolidation. Un modèle de contact intime est également utilisé pour prédire l'évolution de la consolidation et la microstructure du vide présente au sein du préimprégné. A l’aide d’une loi hyperélastique, plusieurs simulations ont été conduites en combinant le nouvel élément fini et les modèles de consolidation. La comparaison des résultats de simulation avec les essais expérimentaux montre l'efficacité de l’élément solide-coque face aux problèmes de déformations dans le plan et en flexion, mais également pour l'analyse du comportement de consolidation. De plus, le degré de contact intime fournit le degré de consolidation par conditions de procédé appliqué, ce qui est essentiel pour l'apparition de défauts dans la pièce finale de composite. / As the pre-impregnated thermoplastic composites have recently attached increasing interest in the automotive industry for their excellent mechanical properties and their rapid cycle manufacturing process, modelling and numerical simulations of forming processes for composites parts with complex geometry is necessary to predict and optimize manufacturing practices. This thesis is devoted to modelling and simulation of the consolidation behavior during thermoplastic prepreg composites forming process. A new seven-node prismatic solid-shell element is proposed: six located at the apexes and the seventh sited at the center. A shear stain field is assumed to subdue transverse shear locking, the enhanced assumed strain method by addition of an extra displacement DOF from the central node and a reduced integration scheme are combined offering a linear varying strain field along the thickness direction to circumvent thickness locking, and an hourglass stabilization procedure is employed in order to correct the element’s rank deficiency for pinching. This element permits the modelling of three-dimensional constitutive behavior of thermoplastic prepreg with the consolidation effect, which is modelled by a viscoelastic relaxation model. An intimate contact model is employed to predict the evolution of the consolidation which permits the microstructure prediction of void presented through the prepreg. Within a hyperelastic framework, several simulation tests are launched by combining the new developed finite element and the consolidation models. The comparison with conventional shell element and experimental results shows the efficiency of the proposed solid-shell element not only dealing with the in-plan deformation and bending deformation problems, but also in analyzation of the consolidation behavior, and the degree of intimate contact provides the level of consolidation by applied process conditions, which is essential for the appearance of defects in final composite part.

La transformation de la biomasse végétale en composés simples pouvant servir comme monomères pour l’élaboration de nouveaux matériaux polymères susceptibles de se substituer à leurs homologues d’origine pétrochimique a été l’un des thèmes de recherche développés au cours des deux dernières décennies. c’est dans ce vaste contexte que s’inscrivent les travaux rapportés dans ce mémoire dont l’objectif était d’élaborer une nouvelle famille d’oligoesters aliphatiques en partant de monomères biosourcés et en intégrant dans leur structure des groupes sulfonés. Cette orientation est justifié par les trois considérations suivantes (i) cela constitue une contribution à la valorisation de la biomasse végétale (ii) la présence des unités sulfonés dans leur structure leur confère des propriétés physico-chimiques particulières favorisant leur utilisation dans divers secteurs industriels. (iii) Ces oligoesters peuvent être par la suite utilisés pour la préparation des composites à base de réseaux de poly (ester-uréthane) et de liquide ionique ayant des propriétés thermomécaniques potentiellement intéressantes et une grande tendance à la dégradation hydrolytique. / The research conducted in this thesis was achieved in the context of vegetal biomass valorization. It aims to develop a new family of aliphatic oligoesters from biobased monomers and incorporating into their structure sulfonated groups. This choice is justified by the following three considerations. (i) This is a contribution to the valorization of vegetal biomass. (ii) The presence of sulfonated units in the structure of this type of polymers gives them specific physicochemical properties favoring their use in various industrial sectors. (iii) These oligoesters can be subsequently used for the preparation of poly (ester-urethane) networks and ionic liquid-based composites with potentially interesting thermomechanical properties and a great tendency towards hydrolytic degradation.

Les copolymères à blocs s’auto-assemblent selon diverses morphologies nanostructurées. La morphologie initiale, composée de domaines localement ordonnés mais aléatoirement orientés, peut être modifiée (transition ordre-ordre) ou orientée par l’application d’un stimulus externe contrôlé tel qu’un champ électrique, magnétique ou de force. Nos travaux s’attachent à étudier les changements de structures de copolymères à blocs de type ABA durant et après l’application d’un cisaillement simple contrôlé à l’état fondu. Les copolymères étudiés sont : des polystyrène-bloc-polyisoprène-bloc-polystyrène contenant 14 %, 17 % et 22 % de styrène et un copolymère acrylique. Les premiers présentent une morphologie initiale cylindrique hexagonale (HEX) et possèdent une transition ordre-ordre vers la morphologie sphérique cubique centré (BCC) dont la température augmente avec le ratio styrène/isoprène. Le copolymère acrylique présente une morphologie lamellaire. Plusieurs techniques expérimentales permettant un suivi in-situ ont permis d’étudier les modifications de morphologies ainsi que les cinétiques qui leurs sont associées : couplage entre microscope optique à lumière polarisée et une platine de cisaillement, rhéomètrie, couplage diffusion des rayons X et platine de cisaillement. Dans le cas d’une morphologie HEX, l’application d’un cisaillement oscillatoire à forte déformation (LAOS) peut engendrer une orientation des cylindres selon la direction du cisaillement avec le plan (100) de l’hexagone parallèle au plan de cisaillement. Les conditions thermomécaniques que sont la température, la déformation et la fréquence de sollicitation se sont révélées être des paramètres clefs quant à la qualité de l’orientation finale. Des plages de conditions optimales ont été identifiées. La cinétique de cette orientation est également dépendante de ces paramètres. Pour une température donnée, le temps de structuration décroit en suivant une loi puissance lorsque la déformation ou la fréquence augmentent. En revanche, l’augmentation de la température rallonge le temps de structuration. Une étude d’échantillons post-mortem ayant subi divers traitements thermomécaniques a permis d’appréhender de possibles mécanismes d’orientation des cylindres. La sollicitation de matériaux présentant la transition ordre-ordre à proximité de leur TOOT a mis en évidence une augmentation de celle-ci par l’application d’un cisaillement. En ce qui concerne la morphologie lamellaire, en fonction des conditions de sollicitations, l’orientation des lamelles est soit perpendiculaire à la direction de cisaillement, soit parallèle à celle-ci mais perpendiculaire au plan de cisaillement. / Block-copolymers self-assemble into different nanostructured morphologies. Initial morphology, with locally anisotropic ordered domains, can be modified (order-order transition) or oriented through application of an external stimulus such as electrical, magnetic or mechanical field. Our work attempts to study the structural changes of ABA block copolymers during and after the application of a controlled shear in the molten state. The studied copolymer are: polystyrene-block-polyisoprene-block-polystyrene containing 14 %, 17% and 22 % of styrene and an acrylic copolymer. The formers show a hexagonally packed cylinder (HEX) morphology and an order-order transition to a body centered cubic (BCC) morphology at a temperature depending on the styrene/isoprene ratio. The acrylic copolymer shows a lamellar morphology. Several experimental techniques for in-situ monitoring were used to study morphological changes and the associated kinetics: rheology, coupling of polarized light optical microscopy and a shearing hot-stage and coupling between X-ray scattering and the shearing hot-stage. For a HEX initial morphology, applying a controlled large amplitude oscillatory shear (LAOS) can create an orientation of the cylinders in the shear direction with the (100) plane of the hexagon parallel to the shear plane. The thermomechanical conditions of temperature, strain and stress frequency were the key parameters of the final orientation quality and their optimal ranges were identified. The orientation kinetics is also dependent on those parameters. At a fixed temperature, the structuring time decreases following a power law when strain or stress frequency increase. Conversely, increasing the temperature also increases the structuring time. Post-mortem samples with different themomechanical history were studied to understand the orientation mechanisms of the cylinders. An increase of the TOOT of the materials under shear has been shown by shearing samples near the TOOT of quiescent state. Two possible orientations were highlighted for the lamellar morphology according to strain and stress conditions: perpendicular to the shear direction or parallel to the shear direction but, in both cases, perpendicular to the shear plane.

Les recherches sur des attogrammes (1 attogramme = 10 -18 gramme) et zeptogrammes (1 zeptogramme = 10-21 gramme) de matière offrent la possibilité de mettre en évidence la transition entre la nanoscience et la physique des molécules, ouvrant la porte à des questions fondamentales en physique de la matière molle, comme par exemple ‘’Quelle est la quantité minimale de matière nécessaire pour ‘‘définir’’ les propriétés des matériaux ?’’. Les propriétés électriques et diélectriques des matériaux, à cette échelle, sont étudiées par la spectroscopie diélectrique. Cette technique offre une large gamme de fréquence, pour mesurer les propriétés diélectriques des matériaux, couvrant plus de 10 ordres de grandeur et allant de 10-3 à 10+7 Hz. Cette technique assure une caractérisation précise d’une grande diversité des phénomènes physiques qui se déroulent à des échelles de longueur et de temps différents, tels que: les transitions des phases, les fluctuations de densité, les fluctuations moléculaires, le transport des charges, etc. Les mesures à l’échelle des attogrammes et zeptogrammes nécessitent l’utilisation des cellules ayant des dimensions nanométriques. Basé sur le concept d’utiliser des nano-conteneurs comme des cellules expérimentales, un développement expérimental a été mis en évidence, dans cette thèse, permettant d’étudier la dynamique moléculaire et les transitions des phases des matériaux polymères, allant jusqu’au zeptogrammes de matière. Cette approche permet de cristalliser des très petites quantités des matériaux sous l’application d’un champ électrique élevé, dans le but d’induire une cohérence macroscopique des fonctions moléculaires. Cela peut donner lieu à des nouvelles propriétés des matériaux, qui n’existent pas dans le cas des matériaux en masse / Dielectric investigations on attograms (1 attogram = 10 -18 gram) and zeptograms of matter (1 zeptogram = 10 -21 gram) offer the possibility of exploring the transition between nanoscience and molecule physics, opening the door for fundamental questions in soft-matter physics, such as for instance “What is the minimum amount of matter necessary to “define” the material properties?”. The electric and dielectric properties of materials at this level are investigated by Broadband Dielectric Spectroscopy. This technique provides an extraordinary broad frequency range, for measuring dielectric properties of matter, covering more than 10 orders of magnitude, typically from 10-3 to 10+7Hz. It ensures a precise characterization of large diversity of physical phenomena taking place at different length and time scales such as: phase transitions, density fluctuations, molecular fluctuations, charge transport processes, etc. Measurements on the scale of attograms and zeptograms require sample cells having all three dimensions on the nanometric length-scale. Based on the concept of employing nanocontainers as experimental cells, a novel experimental development allowing investigations on molecular dynamics and phase transitions of polymeric materials down to the level of zeptograms is demonstrated in the present PhD study. This approach enables one to crystallize tiny amounts of matter under high electric fields with the goal of inducing a macroscopic coherence of molecular functionalities. This could give rise to new material properties, not naturally available in the case of bulk materials.

Les pièces peintes de pièces extérieures automobiles doivent être réalisées en matériaux respectueux de l’environnement qui combinent à la fois fluidité, propriétés mécaniques et aspect visuel. Dans ce contexte, un polypropylène homopolymère conventionnel (PP) a été extrudé et mélangé de manière homogène avec un PP extrêmement fluide, contenant des espèces réactives dans le but d’augmenter la fluidité du mélange final. Ce procédé réactif a ensuite été appliqué à une formulation commerciale automobile de « PP choc » contenant un copolymère d’Ethylène Propylène Rubber (EPR). Une étude rhéologique a permis de modéliser l’évolution de la viscosité en fonction de la composition du mélange. Néanmoins, l’augmentation de la fluidité s’accompagne d’une diminution de la résistance au choc. De manière à faire face à la perte de propriétés mécaniques, l’utilisation d’élastomères thermoplastiques spécifiques a permis d‘augmenter la résilience au choc et l’allongement à la rupture tout en obtenant une fluidité quatre fois supérieure à celle du matériau original. Les aspects rhéologiques, thermomécaniques et morphologiques ont été soigneusement étudiés afin d’établir des relations entre la structure et les propriétés. Dans un second temps, une étude de la mise en peinture des pièces en polyoléfines injectées a été réalisée. Comme la nature hydrophobe du polypropylène ne permet pas une bonne adhésion du revêtement sur sa surface, son activation par flammage est requise. Les effets de différents paramètres (comme la vitesse, la hauteur ou le rapport air-gaz de la flamme) sont étudiés en termes de mouillabilité et d’adhésion du feuil de peinture. Ensuite, des essais aux échelles laboratoires et industrielles ont révélé un défaut du système peint lorsque le polymère possède une quantité importante de talc. L’impact de cette charge sur les propriétés rhéologiques, thermiques et mécaniques du matériau a été étudié. Il a été observé que le cisaillement sur une formulation dont la matrice polymère n’a pas d’affinité particulière avec la surface du talc est responsable d’un délaminage dans le substrat. Pour améliorer l’interface talc-matrice, l’ajout de copolymères fonctionnalisés d’anhydride maléique a permis d’augmenter le niveau d’interactions. Cet effet a été mis en évidence grâce à l’étude des propriétés rhéologiques et mécaniques du système. / Automotive painted exterior car parts have to be made of eco-friendly materials combining fluidity, mechanical properties and visual aspects. In this context, a conventional polypropylene (PP) homopolymer has been extruded and homogeneously blended with an extremely high flow PP, containing reactive species to increase the fluidity of the resulting material. The reactive process was then applied to an automotive high impact PP/Ethylene Propylene Rubber (EPR) formulation and rheological studies allowed us to model the evolution of viscosity as a function of the blend composition. Nevertheless, the increase of fluidity induces a lack of impact resistance. In order to cope with the loss of mechanical properties, the use of a specific thermoplastic elastomers allowed to successfully emphasize impact resilience and strain at break while reaching a viscosity four times lower than the one of the original material. Rheological, thermomechanical and morphological aspects were examined carefully to establish structure-properties relationships. In a second time, a study of the painting of automotive car parts, made of injected polyolefins was carried out. As the hydrophobic nature of polypropylene does not allow a good adhesion between the coating and the polymer surface, the surface activation by flame treatment is required. The effects of different parameters (such as speed, height or air to fuel ratio of the flame) were studied in terms of wettability and coating adhesion. Then, lab-scale as well as pre-industrial experiments revealed defaults of the painted systems when the polymer was highly filled with talc. Then, the impact of the filler on the rheological, thermal and mechanical properties was studied. It was observed that the effects of shear on a formulation where the polymer matrix has no particular physical affinity with the talc surface are responsible of delamination. To enhance the talc-matrix interface, the addition of maleated copolymers pointed out that maleated copolymers increase the level of interactions and lead to a more homogeneous behavior, as revealed by studying both rheological and mechanical properties.

Actuellement, le procédé d’électrofilage également appelé electrospinning est une des voies les plus prometteuses permettant le design et le développement de nanofibres polymères poreuses. En effet, cette technique est simple d’utilisation, unique, modulable, à faible coût et est déjà couramment utilisée dans le milieu industriel. De part ces avantages, l’electrospinning fait l’objet d’un engouement grandissant de la recherche académique et industrielle dans plusieurs domaines d’applications tels que ceux de la filtration, la cosmétique, du textile, de l’ingénierie tissulaire et du domaine médical, notamment pour le relargage de molécules actives. De plus, cette technique est applicable sur de nombreux polymères synthétiques ou naturels et il est possible de contrôler de nombreux paramètres tels que la porosité, le diamètre des fibres ou encore la surface accessible. Un des premiers objectifs de cette thèse a été de développer des scaffolds pour le domaine de l’ingénierie des tissus neuronaux afin d’imiter les propriétés biologiques, physiques et mécaniques de la matrice extracellulaire native. Dans un premier temps, l’effet de l’alignement des fibres d’une matrice fluorée (PVDF) biocompatible a été étudié sur le comportement de cellules souches neurales de singe, en particulier les morphologies, l’adhésion cellulaire ainsi que leurs différentiations en cellules gliales ou neuronales. Dans un second temps, des scaffolds bioabsorbables composés de PLA et de PEG ont été synthétisés afin d’étudier l’influence de l’équilibre hydrophile-hydrophobe sur la culture de cellules souches neurales. Et dans une dernière partie, une véritable étude exploratoire a été réalisée afin de développer des textiles intelligents à base de PBAT contenant des curli, protéine bien connue pour sa capacité à chélater des métaux. / Currently, the electrospinning process is also one of the most promising routes for the design and development of polymer fibers. This technique is easy to use, unique, versatile, and low cost, which can be used to create fibers from a variety of starting materials. The structure, chemical and mechanical stability, functionality, and other properties of the fibers can be modified to match end applications. The first goal of this thesis was to develop scaffolds for the field of neural tissue engineering in order to mimic the biological, physical and mechanical properties of the native extracellular matrix. In the first time, the effect of fiber alignment of a biocompatible and fluorinated matrix denoted polyvinylidene fluoride (PVDF) was studied on the behavior of monkey neural stem cells particularly the morphology, cell adhesion and their differentiation in glial or neuronal cells. Secondly, bioabsorbable scaffolds composed of polylactide (PLA) and polyethylene glycol (PEG) polymers were synthesized to investigate the influence of the hydrophilic-hydrophobic balance on the culture of neural stem cells. Finally, an exploratory work was conducted to develop smart textiles based on poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) containing curli as protein, well-known for its ability to chelate metals.

Ce travail de thèse a pour but de montrer comment des caractérisations nanomécaniques en AFM peuvent apporter une meilleure compréhension des relations structure-propriétés dans les polymères. Dans ce contexte, la technique elle-même et sa base théorique sont d'abord analysées pour mettre en œuvre une méthodologie robuste afin d'effectuer des mesures reproductibles. Deux études principales sont menées sur un thème commun : la compréhension des interactions entre les biopolymères et les liquides ioniques (ILs). Tout d'abord, la compatibilisation des mélanges PBAT/PLA par deux ILs différents (à savoir il-Cl et il-TMP) est étudiée. Les images AFM d'adhésion et de module local mettent en évidence les différentes microstructures, et soulignent que la compatibilisation résulte principalement d'une modification de l'interface PBAT/PLA, devenant une interphase cohésive. Ceci est dû à une interaction spécifique avec les cations et les anions de chaque liquide ionique, qui se situent préférentiellement au niveau de ces interphases. La deuxième étude porte plus précisément sur la modification du PBAT semi-cristallin par de petites quantités des mêmes liquides ioniques. Alors que il-TMP forme des nodules dissipatifs dispersés dans la matrice et une interphase cohésive avec celle-ci, il-Cl, miscible dans la phase amorphe du PBAT, augmente la mobilité de la chaîne dans la MAF (i.e. fraction amorphe mobile) et l'entrave dans la RAF confinée (i.e. fraction amorphe rigide), conduisant à des modifications intéressantes des propriétés macroscopiques. En plus de montrer certaines capacités intéressantes des ILs comme additifs dans les polymères, ces résultats dévoilent également un potentiel exceptionnel des caractérisations nanomécaniques en AFM pour la compréhension en profondeur des relations structure-propriétés dans les matériaux. / This thesis work aims to show how nanomechanical characterizations in AFM can provide a better understanding of structure-properties relationships in polymers. In this context, the technique itself and the associated theoretical basis are first analyzed to implement a robust methodology in order to perform reproducible, quantitative measurements. Two main studies are carried out around a common topic: the understanding of the interactions between biopolymers and ionic liquids (ILs). First, the compatibilization of PBAT/PLA blends by two different ILs (namely il-Cl and il-TMP) is studied. Adhesion and local modulus mappings evidence the resulting microstructures, and highlight that the compatibilization mainly results from a modification of the PBAT/PLA interface, becoming a coherent interphase. This is due to specific interaction with the cations and the anions of each IL, which are preferentially located at those interphases. The second study is more specifically about the understanding of the modification of semicrystalline PBAT by the addition of small amounts of the same ionic liquids. While il-TMP forms dissipative nodules dispersed into the matrix with a cohesive interphase between both, il-Cl, miscible into the amorphous phase of PBAT, amplifies the chain mobility in the bulky MAF (i.e. Mobile Amorphous Fraction) and hinders it in the confined RAF (i.e. Rigid Amorphous Fraction), leading to interesting macroscopical properties modifications. More than showing some interesting capabilities of ILs as additives in polymers, those results also show an outstanding potential of AFM nanomechanical mappings for the in-deep understanding of structure-properties relationships in materials.

Ces travaux de thèse ont porté sur l’élaboration d’électrodes déformables pour la récupération d’énergie houlomotrice. En effet, la conversion de l’énergie mécanique des vagues en électricité est possible via un système entièrement souple et basé sur la technologie des polymères électroactifs (ou EAP). Ces matériaux ont la capacité de se déformer sous stimuli électrique, d’où la nécessité de développer des matériaux conducteurs déformables. Le matériau EAP choisi pour l’étude est un élastomère silicone. La formulation de composites à matrice élastomère silicone chargée en particules conductrices carbonées (graphite, nanofeuillets de graphite et nanotubes de carbone) est ainsi la piste suivie pour composer des électrodes déformables. Deux méthodes de mélange, en voie fondu, ont été explorées. La première utilise un mélangeur planétaire, et la seconde utilise en plus un mélangeur tri-cylindre. L’influence sur les propriétés électriques des composites, de la méthode de mélange, de la nature de la charge conductrice ainsi du taux de charges, a été analysée. Aussi, l’étude de la percolation électrique ainsi que l’étude des mécanismes de conduction mis en jeux dans les différents composites ont été réalisées, et complétées par l’observation de la morphologie en microscopie optique et en microscopie électronique. Le comportement mécanique des composites en traction a également été analysé. Enfin, les propriétés couplées électro-mécaniques des composites les plus prometteurs ont été testées. Les mesures permettent de proposer une formulation à base de nanotubes de carbone comme électrode déformable. / This PhD work presents the development of stretchable electrodes for wave energy harvesting. Indeed, it is possible to convert the mechanical energy of the waves into electricity thanks to a flexible system based on electroactive polymer (EAP) technology. As EAPs have the ability to deform under electrical stimuli, deformable conductive materials are needed. In this study, the chosen EAP is a silicone elastomer. Composites formulated with silicone elastomer matrix filled with carbonaceous conductive particles (graphite, graphite nanoplatelets and carbon nanotubes) were thus developed. Two mixing methods, by melt compounding, have been explored. The first uses a planetary mixer, and the second uses a three roll-mill. The influence of the mixing method, the nature of the fillers and the filler rate on the electrical properties of the composites has been analyzed. The morphology, as well as the percolation and the conduction mechanisms have been studied. The tensile properties of the composites were also analyzed. Finally, the electromechanical coupled properties of the most promising composites were tested, allowing us to propose a formulation as a stretchable electrode.