Le contexte environnemental actuel contraint l’industrie automobile à trouver des solutions pour réduire les émissions de CO2 des véhicules. Une des voies développées consiste à alléger les véhicules en substituant les matériaux à densité élevée comme l’acier par des matériaux plus légers comme les composites. Parmi eux, les SMC (Sheet Molding Compound), généralement employés pour des applications semi-structurales, aspirent à des applications structurales, à condition d’améliorer leurs performances mécaniques (notamment en choc et en fatigue). Les SMC sont composés d’une phase polymère organique (réseau polyester ou vinylester associé à un additif anti-retrait), de charges inorganiques et de fibres de renfort. Cette étude s’est concentrée sur le rôle de la matrice (phase organique + charges) sur les propriétés à la rupture de formulations SMC à fibres de verre et fibres de carbone. Trois axes de recherche ont été développés : i) Analyse de l’existant en évaluant le rôle de l’additif anti-retrait et celui des charges sur les propriétés mécaniques de matrices SMC, ii) Renforcement de matrices SMC par l’utilisation de particules core-shell (CSR), iii) Evaluer le rôle de la matrice sur les SMC à partir des précédents résultats. Dans un premier temps, il a été montré que l’ajout d’un additif de type polystyrène, initialement immiscible dans une résine polyester, conduit à une diminution de la résistance au choc. L’impact de l’augmentation du taux d’un additif initialement miscible (polyester saturé ou polyacétate de vinyle) de faible Tg est gouverné par deux effets antagonistes : la présence de plus en plus importante d’une phase souple renforçante et le développement de microvides qui dégradent les propriétés mécaniques. Puis, l’effet des charges inorganiques a été analysé. Il a été montré que l’ajout de CaCO3 conduisait à une amélioration de la résistance à la propagation de fissure. La résistance à l’amorçage de fissure semble être liée au retrait de polymérisation. La diminution des propriétés à la rupture en présence de microsphères de verre a été démontrée. L’utilisation de charges alternatives a également été explorée. Dans un second temps, des matrices vinylester ont été renforcées par des particules core-shell, qui ont démontré leur efficacité en augmentant considérablement la résistance au choc et la ténacité des systèmes. Des analyses microscopiques ont permis d’identifier des mécanismes de renforcement. Enfin, le rôle de la matrice sur les SMC a été évalué. Ainsi, une augmentation du taux d’additif dans les SMC renforce la matrice et modifie probablement la résistance de l’interface fibre-matrice, entraînant une augmentation de la résistance au choc. L’ajout CaCO3 dégrade cette propriété. De plus, celui-ci masque l’effet renforçant des particules core-shell. Enfin, sur composites à fibres de carbone sans CaCO3, l’ajout de particules CSR permet d’augmenter jusqu’à 20% leur résistance au choc et d’améliorer leur tenue en fatigue. / Because of the current environmental context, automotive industry has to find solutions to reduce CO2 emissions of vehicles. In order to address this issue, one of the possible ways concerns the reduction of the overall weight of cars by substituting heavy steel parts by lightweight composite materials. Among composite materials, Sheet Molding Compounds (SMCs) are used in cars (semi-structural parts) thanks to their low cost and low weight. Their use in structural applications is relevant, provided that their mechanical properties are improved (especially in impact and fatigue). These composites are generally constituted of a polymer matrix (unsaturated polyester or vinylester resin blended with an anti-shrinkage additive) reinforced by short fibers and mineral fillers. The aim of this work was to evaluate the role of the matrix on the mechanical properties of carbon fibers (FC-SMC) and glass fibers-based SMC composite (FV-SMC). Three points were developed : i) a study of existing SMC formulations by assessing the influence of low-profile additive and inorganic fillers on the matrices mechanical properties, ii) a study of the toughening of SMC matrices by adding core-shell rubbers particles (CSR), iii), from the previous results, a last part to assess the impact of the matrix on SMC mechanical properties. First, it was shown that adding a polystyrene (PS) low-shrinkage additive, initially immiscible with a polyester resin (before polymerization), leads to a reduction of Charpy impact resistance, because of PS domains which act as defects. When an initially miscible low-Tg additive is used (PVAc or saturated polyester SP), two antagonist effects were found. When the amount of PVAc or SP was increased, a competition between composition (the presence of a soft phase is more important) and morphology (larger microvoids are created, which lead to a drop of fracture toughness) controlled the evolution of mechanical properties. Then, it was shown that CaCO3 improved fracture toughness of materials. Crack initiation resistance seemed to be lied to polymerization shrinkage. Adding glass microspheres led to a drop of mechanical properties. Other types of fillers were also investigated. In a second part, vinylester matrices were blended with CSR particles. An important toughening was obtained in comparison to a standard SMC matrix. Toughening mechanisms like CSR cavitation, plastic deformation of the matrix or crack-bridging were identified with electronic microscopic observations. Finally, the role of the matrix on SMC was studied. Increasing the rate of saturated polyester (low-profile additive) in FC- SMC formulations led to a better Charpy impact resistance, because of the higher matrix toughness and a probable modification of the fiber/matrix adhesion. With CSR particles in FV-SMC, the presence of CaCO3 limited the toughening. On FC-SMC without fillers, CSR particles led to a better Charpy impact resistance and a better fatigue behavior.

L’objectif de ce projet fut consacré à la synthèse d’un élastomère thermoplastique (TPE) innovant, utilisable en tant que joint entre des matrices composites. La polymérisation radicalaire contrôlée par des radicaux nitroxyde (NMP) fut choisie afin de produire des TPE copolymères à blocs de type styrénique. Le \uD835\uDEFD-myrcène (My) fut dans un premier temps sélectionné pour synthétiser le bloc souple poly(\uD835\uDEFD-myrcène) P(My). La NMP du My en masse à 120 oC en utilisant l’amorceur BlocBuilderTM fonctionnalisé avec l’ester succinimidyl (NHS-BB) fut très bien contrôlée, permettant l’extension de chaîne du macro-amorceur cis-1,4-P(My) avec du styrène (S). Les copolymères diblocs P(My-b-S) obtenus ayant une masse molaire moyenne en nombre modérée (Mn < 50 kg.mol-1) montrèrent un comportement fragile en test de traction uniaxiale (résistance à la rupture en traction σB < 1,1 MPa, allongement à la rupture en traction εB < 16%). L’incorporation d’unités fonctionnelles au sein du segment souple fut réalisée en parallèle via la NMP du My avec du méthacrylate de glycidyle (GMA) afin de favoriser possiblement le processus de soudage / collage entre le TPE et les composites thermoplastiques envisagés. Un amorceur bifonctionnel, le poly(éthylène-co-butylène)-(SG1)2 (SG1 = groupe nitroxyde), permit par la suite de synthétiser des copolymères triblocs S-My-S ayant une plus haute masse molaire moyenne Mn = 56-66 kg.mol-1 et une plus grande extensibilité (σB < 0,8 MPa, εB < 200%). Les segments PS furent remplacés par des segments ayant une température de transition vitreuse (Tg) plus élevée, à savoir des blocs poly(méthacrylate d’isobornyle) P(IBOMA) afin d’augmenter la résistance mécanique et la température de service du TPE candidat. Des triblocs de type IBOMA-My-IBOMA, dont les domaines furent micro-structurés, montrèrent de meilleures propriétés mécaniques (σB = 3,9 MPa, contrainte à la limite d’élasticité σY = 5,0 MPa, εB = 490%) et une température de service maximale d’environ 140 oC. Toutefois, ces TPE à base de My ne satisfirent pas le cahier des charges industriel à température ambiante, ce qui nous poussa à substituer le bloc flexible P(My) par du poly(isoprène) PI, ayant une masse molaire d’enchevêtrement bien plus faible. Des macro-amorceurs 1,4-PI bien définis et actifs furent d’abord étendus avec du styrène, ce qui permit d’obtenir des triblocs S-I-S auto-assemblés (Mn = 95-109 kg.mol-1, fraction molaire en styrène FS = 0,30-0,49, dispersité Đ = 2,11-2,29). σB = 4,1 ± 0,2 MPa et εB = 380 ± 60 % furent mesurés pour un S-I-S ayant FS = 0,38. Un tribloc de type IBOMA-I-IBOMA fut par la suite synthétisé (Mn = 94 kg.mol-1, Đ = 1,76, FIBOMA = 0,35) et montra de meilleures propriétés en contrainte-déformation (σB = 11,4 ± 0,6 MPa, εB = 1360 ± 210 %). / The aim of this study was to produce a novel thermoplastic elastomer (TPE), used as a tough and stable joining between composite matrices. Having typically thermo-reversible crosslinks, TPE can be processed as thermoplastics and exhibit elastic behavior similar to that of chemically crosslinked elastomers in a certain temperature range. Nitroxide-mediated polymerization (NMP) was selected to synthesize linear styrenic block copolymer TPE. \uD835\uDEFD-Myrcene (My) was first considered to manufacture the soft elastomeric segment poly(\uD835\uDEFD-myrcene) P(My) (glass transition temperature Tg ~ − 77 oC). NMP of My at 120 oC in bulk using succinimidyl ester-functionalized BlocBuilderTM alkoxyamine (NHS-BB) was well-controlled, allowing styrene (S) chain-extension from cis-1,4-P(My) macroinitiator. The resulting P(My-b-S) diblock copolymers, exhibiting relatively low number-average molar mass (Mn < 50 kg.mol-1), showed limited stress-strain behavior (ultimate tensile strength σB < 1.1 MPa, elongation at break εB < 16%). Meanwhile, the introduction of functional groups into the soft segment was implemented to subsequently aid the adhesive bonding / welding process between the TPE and the considered polar thermoplastic composites. Well-tailored epoxide functionalized P(My) were thereby synthesized by My/glycidyl methacrylate (GMA) nitroxide-mediated copolymerization. BlocBuilder-terminated poly(ethylene-co-butylene)-(SG1)2 (SG1 = chain-end nitroxide group) difunctional initiator was used to produce S-My-S triblock copolymers with Mn = 56-66 kg.mol-1, which exhibited improved extensibility (σB < 0.8 MPa, εB < 200%). Poly(styrene) PS blocks were then substituted by higher Tg blocks, namely poly(isobornyl methacrylate) P(IBOMA) to enhance the toughness and the service temperature of the candidate TPE. Micro-phase separated IBOMA-My-IBOMA type triblocks exhibited improved mechanical properties (σB = 3.9 MPa, yield strength σY = 5.0 MPa, εB = 490%) associated with an extended upper service temperature of about 140 oC. However, My-based TPE did not satisfy the ArianeGroup mechanical requirements at room temperature, which prompted us to replace P(My) by poly(isoprene) (PI), which has much lower entanglement molar mass compared to P(My). Well-defined and active 1,4-PI-(SG1)2 macroinitiators were first chain-extended with S, leading to self-assembled S-I-S triblocks (Mn = 95-109 kg.mol-1, molar fraction of S in the copolymer FS = 0.30-0.49, dispersity Đ = 2.11-2.29). With FS = 0.38, S-I-S showed σB = 4.1 ± 0.2 MPa and εB = 380 ± 60 %. IBOMA-I-IBOMA type copolymer was then produced (Mn = 94 kg.mol-1, Đ = 1.76, FIBOMA = 0.35) and improved stress-strain properties were obtained at room temperature (σB = 11.4 ± 0.6 MPa and εB = 1360 ± 210 %). Lastly, hydrogenation of I-based block copolymers was performed at normal pressure and resulted mostly in an enhanced thermal stability, a greater tensile stress at break and a reduced elongation at break.

Le but de cette thèse est d'améliorer la compréhension des liens entre microstructure et propriétés mécaniques de réseaux élastomères dégradés par irradiation en utilisant la dynamique moléculaire coarse-grained . Les chaînes polymères sont créées par un algorithme de polymérisation pseudo-radicalaire puis réticulées par un algorithme permettant d’obtenir une distribution spatiale maîtrisée, aléatoire ou non, des nœuds de réticulation. Un dernier processus permet de simuler des coupures de chaînes. L'équilibration des réseaux ainsi créés est ensuite réalisée avec des forces intergrains dont les paramètres sont issus des travaux de Kremer et Grest. Dans le cas de réseaux aléatoires, le lien entre densité de chaînes actives, de chaînes pendantes et longueur des sous-chaînes avec le nombre de nœuds de réticulation et la fraction soluble est bien décrit par les modèles statistiques adéquats. Des essais simulés de spectrométrie mécanique isochrones à différentes températures permettent de retrouver (i) lorsque les chaînes sont non réticulées, l'influence de la longueur des chaînes sur la longueur du plateau caoutchoutique et sur Tα , et (ii) lorsqu’elles sont réticulées, l’influence de la densité de réticulation sur la hauteur de ce plateau. Les essais simulés de traction uniaxiale permettent de confirmer la relation entre le module mécanique et la densité de nœuds chimiques et de nœuds d’enchevêtrements piégés. Différents processus interviennent avant rupture: dans le cas de réseaux aléatoires, survient d’abord la rupture de liens covalents de manière homogène, puis la cavitation, la striction et enfin la rupture de liens dans les filaments de la zone de striction ; l'allongement à rupture finale est toujours proche du double de celui à première rupture de lien (lui même relié au module du matériau). A même densité de réticulation, le comportement à petites déformations et à durcissement est peu influencé par une réticulation hétérogène par zones. On constate, à même densité de nœuds chimiques, une légère diminution du module d'Young pour des réseaux doubles interpénétrés explicable par les enchevêtrements ; par ailleurs ils rompent de manière homogène dans le sous-réseau le plus réticulé. Les réseaux hétérogènes contenant des zones sphériques plus réticulées présentent des ruptures à l'interface avec les zones moins réticulées qui entraînent une diminution de la contrainte maximale atteinte avant rupture totale ; cela s’explique par la diminution au passage de l'interface rigide->mou du nombre de chemins percolants pouvant supporter la sollicitation mécanique. Au final, on constate que les systèmes homogènes basés sur des chaînes longues présentent globalement un meilleur comportement en rupture (allongement à rupture finale et contrainte maximale) que les systèmes hétérogènes, y compris les réseaux doubles. En outre, parmi tous les réseaux simulés, ceux de loin les moins performants sont les réseaux homogènes coupés. / The aim of this thesis is to improve the understanding of the links between microstructure and mechanical properties of irradiated degradated elastomeric networks using molecular coarse-grained dynamics. The polymer chains are created by a pseudo-radical polymerization algorithm and then crosslinked by an algorithm which generate a controlled spatial distribution, random or not, of the crosslinking nodes. The process can include the simulation of bond breaks. The equilibration of the networks thus created is then carried out with intergroup forces whose parameters are derived from the work of Kremer and Grest. In the case of random networks, the link between the density of active chains, of pendant chains and the length of the chains portions with the number of crosslinking nodes and the soluble fraction is well described by the appropriate statistical models. Simulated tests of isochronous mechanical spectrometry at different temperatures make it possible to find (i) when the chains are not crosslinked, the influence of the length of the chains on the length of the rubber plateau and on Tα, and (ii) when they are crosslinked , The influence of the crosslinking density on the height of this plateau. The simulated uniaxial tensile tests confirm the relationship between the mechanical modulus and the density of chemical nodes and trapped entanglement nodes. Different processes intervene before failure: in the case of random networks, the break of covalent bonds occurs in a homogeneous manner, then cavitation, striction and finally the failure of bonds in the filaments of the zone of constriction; the elongation at final failure is always close to twice that at the first failure of the bond (itself connected to the modulus of the material). At the same crosslinking density, the behavior at small deformations and hardening is little influenced by a heterogeneous crosslinking by zones. At the same density of chemical nodes, a slight decrease in the Young's modulus is observed for interpenetrating double networks, which can be explained by entanglements; Moreover, they break homogeneously in the most reticulated sub-network. The heterogeneous networks containing more cross-linked spherical zones have ruptures at the interface with the less cross-linked zones which lead to a reduction in the maximum stress reached before total rupture; this is explained by the decrease in the number of percolating paths which can withstand mechanical stress when passing the rigid-> soft interface. In the end, homogeneous systems based on long chains generally show better failure behavior (ultimate elongation and maximum stress) than heterogeneous systems, including dual networks. Moreover, among all the simulated networks, those which are by far the least efficient are the homogeneous networks cut.

Ce travail de thèse concerne l’élaboration et l’optimisation d’un procédé de synthèse par extrusion réactive de polyesters aliphatiques par polycondensation de l’acide sébacique avec le 1,6-hexanediol. L’utilisation des polyesters est un secteur en constante augmentation depuis ces dernières années notamment avec l’utilisation du poly(éthylène téréphtalate) dans des applications d’emballages. Cependant, la synthèse de ces polymères est basée sur des réactions de polycondensations dont les cinétiques sont classiquement assez lentes ce qui entraîne des durées de synthèse longues et in fine assez couteuses. Le but de cette étude est la mise en place d’un procédé continu par extrusion réactive qui permettrait de réduire les durées de synthèse (moins d’une heure) et d'obtenir de hautes masses molaires compétitifs. Dans un premier temps, l’étude porte sur la synthèse en réacteur d’un polyester dît modèle : le poly(hexaméthylène sébaçate). La détermination des conditions optimales de synthèse de ce polyester en réacteur permet de mettre à jour les catalyseurs et leur quantité nécessaire pour obtenir de hautes masses molaires. Une deuxième partie de ce travail de thèse a ensuite été basé sur le transfert des connaissances acquises en réacteur au procédé d'extrusion réactive. Enfin, l’optimisation de l’ensemble des paramètres de la synthèse du polyester modèle et des conditions d’extrusion (profil de vis, profil de température, vitesse des vis…) a permis la synthèse de poly(hexaméthylène sébaçate) dont les masses molaires sont très proches de celles obtenues en réacteur et qui laisse entrevoir un développement très prochain de ce nouveau procédé au niveau industriel. / This PhD thesis is about a new way to synthesis aliphatic polyesters based on hexanediol and sebacic acid by making use of reactive extrusion. Polyesters use have increased each year from the last fifty years, especially the poly(ethylene terephthalate) (PET) for packaging applications. However, polyesters are made from polycondensations, chemical reactions that require a lot of time to obtain high molar mass. The goal of this study is to create and optimise a new synthesis process by reactive extrusion to reduce drastically the synthesis time from several hours to a couple of minutes to obtain the same polyester than the classical process. This thesis is split into two big parts. The first one is the optimisation of the synthesis of the polyester used for the study: the poly(hexamethylene sebacate). Catalysts and synthesis conditions are discussed to draw the scheme of the synthesis in the classical process making used of batch reactors. The second step is the transposition of the synthesis to reactive extrusion. Optimisations of all extrusion conditions (screw profile, temperature range, screw speed…) are performed to obtain a poly(hexamethylene sebacate) with molar mass close to the ones made by batch reactor. This new process make the development of new polyesters faster than before and will allow some new materials based on these polymers.

Dans les dernières décennies, le design de matériaux renouvelables est devenu une préoccupation majeure. Découvrir de nouveaux monomères biosourcés pour les plastiques est un enjeu important pour la transition vers des matériaux plus verts. L’isosorbide (ISO), diol secondaire aliphatique, biosourcé, est donc étudié en tant que monomère pour la synthèse de compositions polyuréthanes, notamment thermoplastiques et revêtements. Il pourrait notamment fournir une alternative à l’utilisation de 1,4-butanediol (BDO). Dans une première partie, l’isosorbide est utilisé en tant qu’allongeur de chaîne pour la synthèse de matériaux élastomères, en combinaison avec le 4,4'-diisocyanate de diphénylméthylène (MDI) et différents macrodiols dont notamment la polycaprolactone (PCL), le polytetrahydrofurane (PTMEG) et un oligoester dérivé d’huiles végétales (FADM). L’analyse thermo-mécanique des matériaux obtenus permet de montrer que les segments rigides à base d’ISO et de MDI sont moins favorables à la cristallisation que ceux à base de BDO et sont en général plus miscible avec la phase souple. Cependant, cet effet peut être contrôlé par le choix judicieux de la phase souple en combinaison des segments rigides MDI/ISO. Dans une seconde partie, l’isosorbide est incorporé dans des compositions thermoplastiques à base d’isocyanate d’isophorone (IPDI). Les matériaux montrent une microstructure différente selon le macrodiol utilisé. Les compositions à base de FADM sont séparées alors que celles à base de PTMEG sont plus homogènes. Cependant les propriétés mécaniques de ces matériaux sont pauvres car une longueur de chaîne permettant l’apparition d’enchevêtrements n’a pas été atteinte. Dans une dernière partie, des agents de réticulation sont ajoutés aux compositions à base d’IPDI et d’ISO afin d’obtenir des revêtements polyuréthanes réticulés sur substrats acier. Des tests menés par voie solvant ont permis d’obtenir une composition à bas taux de composants volatiles et en utilisant un solvant non-toxique. Les revêtements obtenus ont été caractérisé mécaniquement et l’ISO semble améliorer l’adhérence et la résistance à l’impact. Ce travail démontre que l’isosorbide a le potentiel pour devenir un composant très utile pour la formulation de bio-polyuréthanes, et il peut aussi être utilisé avec des composants non conventionnels pour obtenir des matériaux innovants tels que ceux obtenus avec l’IPDI ou les isocyanates biosourcés. Des applications dans le secteur automobile, pharmaceutique, de l’habillement ou du sport sont envisageables. / In the recent years, renewable material design has become a key issue. Finding new bio-sourced monomers for plastics is a major concern for transition toward greener materials. Isosorbide (ISO), a bio-sourced and aliphatic secondary diol, is thus studied as a monomer for polyurethane composition synthesis, especially thermoplastics and coatings. It could be a valuable replacement for the use of 1,4-butanediol (BDO). In a first part, isosorbide is used as a chain extender for the synthesis of elastomeric materials, in combination to 4,4'-diphenylméthylenediisocyanate (MDI) and various macrodiols such as polytetrahydrofurane (PTMEG) and an oligoester derived from vegetable oils (FADM). Thermomechanical analysis of the obtained materials has shown that hard segments based on ISO and MDI are less favorable to crystallization than the one based on MDI and BDO, and are generally more miscible with the soft phase. However, this effect can be controlled by the proper choice of the soft phase combined to the hard segments based on MDI/ISO. In a second part, isosorbide was added in thermoplastic compositions based on isophorone diisocyanate (IPDI). Those materials have a different microstructure depending on the used macrodiol. Compositions based on FADM show phase segregation while those based on PTMEG are more homogeneous. However, mechanical properties of those materials were poor as a chain length allowing the appearance of chain entanglements was not reached. In a last part, cross-linkers were added to IPDI and ISO-based compositions in order to obtain cross-linked polyurethane coatings for steel substrates. Tests carried out in solvent-phase have allowed to design a composition with low ratio of volatile components, and the use of a non-toxic solvent. Obtained coatings were mechanically and thermally characterized, and ISO seems to enhance adhesion and impact resistance. This work shows that isosorbide could become a very useful building block for design of bio-polyurethanes, and that it can also be used with non-conventional building blocks to obtain innovative materials such as those made from IPDI. Applications in automotive, pharmacology, clothing or sport are possible.

Les effets caloriques représentent la capacité d’un matériau à voir son entropie varier sous l’effet d’une sollicitation externe et peuvent être utilisés pour des systèmes de refroidissement à l'état solide en remplacement (ou complément) des dispositifs traditionnels à base de fluides frigorifiques. Dans cette thèse, nous avons cherché à étudier l'effet élastocalorique du caoutchouc naturel. Après une présentation des différents matériaux caloriques et du caoutchouc naturel, le chapitre 2 détaille la caractérisation élastocalorique du caoutchouc naturel, et les résultats sont interprétés à partir de la notion de cristallisation induite par la déformation. Le changement de température adiabatique élastocalorique et la variation d’entropie associée atteignent 9K et 50kJ.m-3.K-1, ce qui est très important comparé aux autres matériaux caloriques. L’effet élastocalorique étant maximum pour une déformation voisine de 4,5, une pré-déformation peut être appliquée pour éviter la zone moindre activité élastocalorique. La mesure directe de l’effet élastocalorique est ensuite comparée à une méthode indirecte déduite du facteur de Clapeyron, et les divergences sont discutées. Dans le chapitre 3, la contrainte et la température élastocalorique sont simulées par un modèle de Flory modifié sur la base de la cristallisation. Il est possible de prédire le comportement contrainte-déformation à différentes températures, ainsi que les variations de température élastocaloriques à température ambiante. Dans le chapitre 4, les effets de la fatigue sur l’effet élastocalorique du caoutchouc naturel sont ensuite étudiés. La résistance à la fatigue pour de grandes amplitudes de déformation est très faible (< 800 cycles). Trois régimes de déformation intermédiaire sont ensuite testés : 0-3, 2-5, et 4-7, et permet d’établir que le régime 2-5 est le plus performant (jusqu’à 100 000 cycles). Dans le dernier chapitre, un modèle de système régénératif de refroidissement à base de matériaux caloriques est développé afin d’établir des lignes directrices pour le choix des matériaux élastocaloriques / In this thesis, we aimed to study the eC effect of natural rubber (NR) and to prove its potential to act as an eC material primarily. The method for improving the eC effect efficiency and fatigue life of NR were also proposed. The eC effect of NR is characterized directly, and interpretation based on the theory of strain-induced crystallization/crystallite (SIC) is proposed. The eC adiabatic temperature change and isothermal entropy change of NR can be up to 9 K and 50 kJ.m-3.K-1 (56 J.kg-1.K-1), which are larger than most of caloric materials. Two coefficients, eC strain coefficient and eC stress coefficient , are defined for evaluating the eC performance at different strains, where is the specific entropy, is the engineering strain, is the temperature and is the stretching stress. It’s found that both coefficients are maximum for a strain around 4.5, indicating that the highest eC performance occurred at middle strain, which is attributed to the occurrence of SIC. To improve the eC performance, it is proposed to apply a pre-strain, so that the low strain regime where eC performance is low can be skipped. Moreover, the large needed deformation can be reduced by the pre-strain and thus the possibility of a compact cooling system designed based on NR is improved. The fatigue property of eC effect of NR is then investigated. The fatigue life at large deformation strain amplitudes (strain of 1-6) is about 800 cycles for the tested NR, which is too short to be used for a cooling system. Decreasing strain amplitude is necessary to extend fatigue life up to requirement of a cooling device. For the same small strain amplitude of 3, the fatigue property is compared at amorphous strain regime (strain of 0-3), onset strain of melting (strain of 2-5) and high strain of SIC (strain of 4-7). It’s found that a larger eC temperature change and a better fatigue property can be obtained at two SIC strain regimes (strain of 2-5 and 4-7) than amorphous strain regime. Especially, the fatigue property at the onset strain of melting (strain of 2-5) is better than that at high strain of SIC (strain of 4-7). A high-cycle fatigue was applied at the strain of 2-5 (most promising strain regime) up to 1.7×105 cycles. It was observed that there is no crack of the sample, as well as a degradation degree of 12% of the eC temperature change. Furthermore, the eC stress coefficient (4.4 K/MPa) at onset strain of melting is larger than that at high strain of SIC (1.6 K/MPa). As a result, the middle strain regime (onset strain regime of melting) can get a higher eC performance, larger temperature change, and better fatigue life, which should be chosen for eC cooling system.

Les effets électrocaloriques, qui se traduisent par une variation de température induite par une variation d’entropie ont été étudiés comme alternative aux systèmes de réfrigération utilisant un cycle de compression/détente. Le travail de thèse se focalise sur l’étude de l’effet élastocalorique dans le caoutchouc naturel et le terpolymère (P(VDF-TrFE-CTFE). En premier lieu, l’effet élastocalorique dans le caoutchouc naturel qui compte parmi les meilleurs candidats, a été évalué pour des cycles de déformation réalisés avec différentes valeurs d’allongement. Une variation de température de 4 °C a pu être observée. Il est usuel d’utiliser la relation déformation/contrainte en fonction de la variation de température pour évaluer l’effet élastocalorique. Il a été démontré que cette méthode ne peut pas être utilisée dans le cas du caoutchouc naturel et qu’elle doit être remplacée par la mesure de la variation de l’énergie mécanique en fonction de la température. Et dans ce cas, une variation linéaire entre ces deux dernières grandeurs a été observée. En réalisant un bilan d’énergie pendant l’essai, non seulement, le rendement énergétique a pu être évalué mais il a été aussi possible de prendre en compte l’effet Mullins et la cristallisation induite par la déformation pour le caoutchouc naturel. Dans un second temps, l’effet élastocalorique a été étudié sur le terpolymère (P(VDF-TrFE-CTFE), ce qui a permis de montrer qu’il était possible d’obtenir une variation de température de 2.1 °C sous réserver de pré-déformer le terpolymère à plus de 1050 % avant. Par comparaison avec d’autres matériaux présentant une bonne conversion élastocalorique, le fort potentiel de ce matériau a pu être mis en évidence. Enfin, il a été mis en évidence que la plus grande partie de l’énergie mécanique était bien convertie en énergie thermique. / Caloric effects (CEs), which are the phenomena that temperature variation is caused by entropy change, have been investigated for the novel system which might be able to replace conventional vapor compression refrigeration system. In the present thesis, the elastocaloric effect (ElCE) of natural rubber (NR) and terpolymer, poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene) (P(VDF-TrFE-CTFE)), was focused. First of all, NR, which is an excellent candidate material for ElCE, was evaluated in cyclic deformation with different strain levels. It was found that NR exhibits temperature variation of around 4.0 °C. In general, the relation between stress/strain versus temperature variation is used to evaluate ElCE. The unsuitability of such evaluation method for NR was demonstrated. The evaluation method for ElCE which uses energy balance was then proposed. A linear relation between the temperature variation caused by ElCE and the applied mechanical energy by deformation was experimentally found. This fact verifies the suitability of the proposed method. Using the energy balance, besides, not only the conversion efficiency but also the influences of the Mullins effect and the strain-induced crystallization on the ElCE of NR were discussed. ElCE of P(VDF-TrFE-CTFE) was also evaluated in order to find out the potential of polymer. It was found that present terpolymer which is not one of the elastomers can also exhibit a large temperature variation, 2.1 °C, caused by ElCE if a large pre-stretch such as more than 1050 % is applied in advance. By comparison with other materials for ElCE, it was demonstrated that P(VDF-TrFE-CTFE) can be a high potential material for ElCE. It was also shown that P(VDF-TrFE-CTFE) converts most of the applied mechanical energy into the heat energy.

Ce travail porte sur les mouvements moléculaires dans les caoutchoucs composants les pneumatiques : les polybutadiènes (PB) et les copolymères de polystyrène et polybutadiène (SBR). L’intérêt de cette étude est double : Nous souhaitons à partir de résultat de spectroscopies mécanique et diélectrique, comprendre l’origine moléculaire des relaxations dans ces élastomères, mais aussi voir le rôle de la microstructure chimique dans la mobilité moléculaire. Nous travaillons donc sur des matériaux différents par leur microstructure chimique à travers leurs taux respectifs de butadiène 1,2 vinyle, de butadiène 1,4 cis/trans ou encore de styrène pour les SBR. L’étude de la modification de la microstructure passe aussi par l’ajout de diluants qui servent de perturbateurs à la mobilité. La gamme de température balayée est comprise entre 90K et 350K et permet ainsi l’étude systématique de toutes les relaxations présentent dans les polymères de l’étude : La relaxation β, à plus basse température, la relaxation α pour des températures proches de Tg mais aussi, à plus haute température, les relaxations de bouts de chaine et enfin les phénomènes de reptation de chaines libres pour des températures 90K supérieures à Tg. Les techniques de spectroscopie mécanique (1.10-4/1 Hz) et diélectrique (0,1/1.106Hz) permettent d’obtenir des résultats sur un large domaine fréquence /température. Par ailleurs, les couplages mécanique d'une part et électrique d'autre part étant de nature différente, les informations obtenues par les deux techniques sont complémentaires. Le développement d’un modèle nous permet de démontrer que les mouvements des groupements butadiène 1,2 (vinyle) sont responsables de la contribution haute température de la relaxation β alors que ceux des groupements butadiène 1,4 cis et trans sont responsables de la partie basse température. L’étude approfondie de la relaxation α à l’aide du modèle de Perez amène à penser que ces mêmes groupements butadiène 1,2 vinyles jouent aussi un rôle non négligeable dans cette relaxation α. La dilution par une huile polaire provoque la suppression de la partie haute température de la relaxation β et amène ainsi à une modification de sa mobilité basse température. Diminuer la réticulation dans un polymère entraine revient à augmenter la longueur des bouts de chaine. Ces bouts de chaines peuvent alors relaxer selon les lois de rétraction de bouts de chaine développées par Curro à partir des modèles de Pearson et Helfand. Enfin, les chaines libres introduites dans un polymère réticulé suivent la théorie de la reptation de De Gennes-Doi-Edwards. / This work deals with the study of the molecular mobility in rubbers used for pneumatic applications, namely, polybutadiene (PB) and styrene butadiene rubber (SBR). They exhibit relaxation processes, which are in fact responsible for their main behaviors (adhesion, energy consumption, etc.). From mechanical and dielectric spectroscopy data, we tried to understand the molecular origins of these elastomers relaxation, but, also the role of their chemical microstructure on molecular mobility. We studied materials with different chemicals microstructures, i.e., with different butadiene 1,2 vinyl, butadiene 1,4 cis and 1,4 trans and styrene (for SBR only) ratio. The impact of microstructure modification was also studied with addition of diluents, which modifies the molecular mobility. Experimental temperature range was between 90 and 350K, so all relaxations present in polymer can be studied: the β relaxation at low temperature, the α relaxation for temperature near Tg, the chain-end relaxation at higher temperature and free chain reptation phenomenon at Tg+90K. Mechanical (10-4 Hz to 1 Hz) and dielectric spectroscopy (0,1 Hz to 106 Hz) allow obtaining large frequency range. Besides that, mechanical and dielectric induced stresses are different so both methods are complementary. The β relaxation exhibits two main contributions, so-called here high and low temperature contributions. The use of modeling permits to show that movements responsible for the high temperature contribution are those of butadiene 1,2 vinyl, whereas butadiene 1,4 cis and trans are responsible from low temperature contribution. Perez model used for studying the α relaxation shows that 1,2 vinyl also impact it. High temperature contribution of the β relaxation disappears after dilution by polar oil. Decreasing the crosslinking density in polymers results in the increase of average chain-end length. These chain-ends relax, and it has been found that their relaxation processes follow the chain-end retraction model developed by Curro from Pearson and Helfand works. On the contrary, free chains motions, when introduced in the already cross-linked polymer network follow De Gennes-Doi-Edwards reptation theory.

Le caoutchouc naturel présente une très bonne résistance à la propagation de fissure. Cette particularité est généralement attribuée dans la littérature à sa capacité à cristalliser sous déformation. A ce jour, l'essentiel des travaux dans ce domaine porte sur des échantillons réticulés par une vulcanisation dite efficace, c’est-à-dire dont les noeuds de réticulation sont principalement composés de ponts monosulfures. Pour certaines applications, et parce qu’elle est réputée conduire à de meilleure propriétés en fatigue, il est intéressant d'utiliser une vulcanisation dite conventionnelle. Le matériau est alors composé majoritairement de ponts polysulfures. Le phénomène de cristallisation sous déformation, exacerbée en pointe de fissure en raison d'une amplification du champ de déformation, semble être l'un des mécanismes responsables de l'accroissement de la durée de vie en fatigue du matériau vulcanisé de manière efficace. Cependant, sur matériaux vulcanisés de manière conventionnelle et thermo-oxydés (77°C), cette corrélation doit être confirmée en raison d’une évolution importante de l'architecture du réseau élastomère pendant son vieillissement pouvant en effet avoir un impact important sur la capacité du matériau à cristalliser sous déformation. Cette étude se propose donc de caractériser l’évolution de réseaux élastomères vulcanisés de manières conventionnelles pendant leur vieillissement thermo-oxydant, puis d’évaluer leur résistance à la propagation de fissure à différents niveaux de déformation macroscopique. Des analyses in situ WAXS sous rayonnement synchrotron en fond de fissure permettent alors de relier ces résultats à l'évolution de l’aptitude de ces matériaux à cristalliser sous déformation. / Natural rubber (NR) is largely used in the tire industry due to its excellent mechanical properties, e.g. its very good resistance to fatigue crack growth at high strain. It is generally accepted that this outstanding behavior is related to its ability to crystallize under strain. Such phenomenon, so called SIC, strongly depends on parameters like temperature, strain rate as well as the architecture of the rubber network. The microstructure of this network is formed during the crosslinking process and depends on the vulcanization system, i.e. “Efficient” or “Conventional”. The former vulcanization recipe consists in the formation of short or monosulfide bridges in the elastomer network whereas the latter (necessary to ensure a good adhesion between metallic and rubber parts in a tire) will mainly create longer polysulfide bridges. During its life, the tire will be submitted to a slow aerobic ageing which will cause structural modifications of the initial network and therefore an evolution of the rubber ability to crystallize under strain and to resist against crack propagation. In general, the structural modifications are caused by complex chemical mechanisms, highly sensitive to temperature, leading to chain scission and chain crosslinking. They can also involve sulfur bridge reorganization when NR is conventionally vulcanized. Nevertheless, most of the literature on NR ageing has been performed on efficiently cross-linked NR, and in thermal conditions which are much too severe to be representative of the material ageing in tire applications. Within this frame, our objective is to study this material when it is aged at 77 °C in air. Such parameters have been identified as capable of reproducing more realistically and over a reasonable duration, the ageing of rubber in some use conditions. After characterization of the evolution of the aged materials microstructure, their crack propagation resistance will be studied at 0.01 Hz for different values of macroscopic deformations. Time resolved Wide Angle X-ray scattering (WAXS) measure-ments, carried out at room temperature, will then provide information on the crystallization process around the crack tip. Based on these results, the relation between the network evolution during ageing, the fatigue properties and the ability to strain crystal-lize in such conditions will be established in this work.

La première partie de ce travail traite des propriétés mécaniques de matériaux silicones de type HCR réalisés à partir de macromolécules dont la structure a dû être déterminée. Les relations existantes entre macromolécules initiales et matériaux finaux sont discutées. Cela nous a permis d’isoler un seul paramètre à ajuster pour développer un procédé permettant l’architecturation des propriétés mécaniques d’une membrane en silicone : la densité de réticulation. Ensuite, nous avons comparé trois classes d’élastomères silicones en tentant de comprendre comment les différences de réseau, comprenant une matrice commune mais des moyens de réticulation et renforcements différents, influaient sur les propriétés mécaniques simples (par exemple de traction et de dureté) et plus avancées (comme les propriétés dynamiques et élastiques). L’influence du réseau, des charges, du mécanisme de réticulation et les différentes interactions existantes entre eux, ont orienté notre choix sur la formulation dont la réticulation est la plus contrôlée, et les propriétés élastiques les meilleures, c’est-à-dire les LSR. Nous avons alors développé un procédé permettant de contrôler localement la cinétique de réticulation d’une formulation silicone par dégradation du catalyseur aux UV. Ce procédé très simple nous a permis d’obtenir une large gamme de propriétés mécaniques avec des conditions de réticulations semblables. Les deux premières études ont permis d’expliquer plus facilement le comportement mécanique des matériaux-sous-réticulés. Des membranes anisotropes ont pu être réalisées à l’aide de masques à motifs. Les membranes obtenues ont même ouvert la porte à des perspectives très intéressantes, comme l’architecturation de surface par lavage au solvant, la post-fonctionnalisation chimique via les fonctions non réagies, et le collage cohésif silicone-silicone. / The first part of this work deals with the mechanical properties of high consistency silicone rubbers crafted from macromolecules whose structure had to be determined, and the existing links between initial macromolecules and final material behavior. It allowed us to choose only one parameter to adjust in order to manufacture mechanically architectured silicone membranes: the crosslinking density. Then, three types of silicone elastomers were compared in an attempt to understand how network differences, comprising the same matrix but different crosslinking chemistry and reinforcement, influenced the mechanical properties, both simple (such as hardness and modulus), and more complex (dynamic, and elastic). The influence of the network, fillers, matrix and the different interactions between them oriented our choice towards the silicone ty with the best control of the crosslinking and best elasticity, namely LSR. Then, we developed a process allowing the local control of the crosslinking kinetics of a silicone formulation by UV degradation of the crosslinking catalyst prior to regular heat crosslinking. From this simple and versatile process, materials with a wide range of mechanical properties were manufactured and characterized. The first two studies helped us to understand the mechanical properties of under and regularly crosslinked materials. Anisotropic membranes were also manufactured thanks to the use of patterned masks during irradiation. The obtained materials opened up new promising perspectives, such as surface architecturation through solvent wash of under crosslinked zone, chemical post functionalization of unreacted moieties, or even cohesive silicone-silicone gluing.