Les matériaux nanostructurés ont des propriétés remarquables (surfaces d'échanges élevées, effet de confinement...) issues de leurs très faibles dimensions caractéristiques. La démarche mise en place dans le cadre de ces travaux de thèse consiste à transposer les procédés classiques d'élaboration des matériaux nanostructurés de type aérogel (combinant synthèse sol-gel et extraction au CO2 supercritique) à des précurseurs cellulosiques. Le travail a été subdivisé en quatre parties qui portent respectivement sur une étude approfondie de la bibliographie, la mise au point et l'étude des formulations chimiques conduisant à des aérogels à partir d'acétate de cellulose, les caractérisations (chimiques, structurales et thermiques) des matériaux nanostructurés élaborés, et finalement l'étude des premiers carbones obtenus par pyrolyse des matrices organiques. Les formulations et le protocole sol-gel conduisent à des gels chimiques par réticulation de l'acétate de cellulose à l'aide d'un isocyanate polyfonctionnel. Les aérogels obtenus après extraction du solvant au CO2 supercritique sont nanostructurés et essentiellement mésoporeux. Les caractérisations structurales ont notamment permis de dégager des corrélations entre les paramètres chimiques de la synthèse (concentration en réactifs, taux de réticulation, degré de polymérisation) et les propriétés poreuses des matériaux (densité, porosité, distribution de taille des pores). Un aérogel ultraporeux de référence, avec une masse volumique égale à 0,245 g .cm-3 et un volume mésoporeux de 3,40 cm3 .g-1 a ainsi été élaboré. Une fois mis sous forme divisée, il présente une conductivité thermique de 0,029 W .m-1 .K-1. D'autre part, les carbones obtenus après pyrolyse du réseau solide organique puis broyage sont nanostructurés et nanoporeux, malgré les nombreuses modifications structurales intervenant lors de l'étape de carbonisation. Les matériaux élaborés dans le cadre de cette thèse sont caractérisés et évalués pour des applications liées à l'énergétique telles que l'isolation thermique (aérogels organiques) mais également pour le stockage et la conversion d'énergie par voie électrochimique (aérogels de carbone).

L'acétate de cellulose (CA) est un bio-polymère issu de la cellulose du bois. Sa température de dégradation (dont le degré de substitution 2,5 est développé et commercialisé par le Groupe Solvay) étant très proche de sa température de fusion, son procédé de mise en oeuvre par voie fondue ne peut être envisagé qu'avec l'ajout d'une quantité importante de plastifiant externe (entre 15 et 30% en poids). Le polymère plastifié obtenu est classé parmi les thermoplastiques amorphes et ses propriétés sont régies par un «réseau» de très fortes interactions polaires. La plastification de l'acétate de cellulose à fait l'objet de nombreux travaux nous permettant de nous concentrer in fine sur deux plastifiants: la triacétine (TA), un plastifiant biosourcé fréquemment utilisé dans l'acétate de cellulose et le Diethyl Phthalate (DEP) qui est le plastifiant historique de l'acétate de cellulose et constitue une référence. Les propriétés mécaniques de l'acétate de cellulose plastifié obtenu par voie fondue étant peu étudiées dans la littérature, nous avons dans un premier temps évalué le comportement en traction et l'influence de différents paramètres tels que le taux et le choix du plastifiant mais également l'influence du procédé d'injection sur ces propriétés. Nous avons ainsi pu mettre en évidence l'apparition d'un régime de durcissement plastique (strain hardening en anglais) dès 8% de déformation sous certaines conditions. Il apparaît que le choix du plastifiant, la température d'analyse et la pré-orientation macroscopique des chaînes influencent significativement ce régime. Le durcissement plastique a déjà été observé dans d'autre polymères amorphes tels que le polycarbonate (PC) ou le poly(méthyle methacrylate) (PMMA) qui sont classés parmi les polymères amorphes dit « ductiles ». L'origine de ce régime est encore peu connue et suscite de nombreux débats, cependant il semblerait qu'il stabilise la déformation en évitant la localisation de l'endommagement et serait donc un paramètre clé pour l'amélioration de la ductilité de ces polymères. Afin de mieux comprendre cette ductilité nous avons réalisé des observations par microscopie électronique à balayage en transmission (STEM) ainsi que par diffusion des rayons X aux très petits angles (USAXS). Grâce à ces caractérisations nous avons pu décrire les micro-mécanismes d'endommagement sous traction de nos polymères depuis l'échelle macroscopique jusqu'à l'échelle nanométrique et ainsi décrire précisément les micro-mécanismes liés à l'initiation et la propagation de l'endommagement. Par ces analyses nous mettons en évidence la nucléation simultanée de craquelures nanométriques autour des défauts préexistants (liés au processus de mise en oeuvre). Ces craquelures vont ensuite croitre de façon très limitée jusqu'à atteindre la centaine de micron. Cependant lorsque la contrainte appliquée devient suffisamment élevée, une petite portion de ces craquelures vont se mettre à croitre plus rapidement jusqu'à entrainer la rupture de l'échantillon. Avec le DEP la cinétique de croissance est très rapide, entrainant une rupture brutale de l'échantillon dès qu'une craquelure atteint une dimension critique. Avec la TA néanmoins cette vitesse est plus lente, ce qui permet d'observer l'évolution d'une deuxième famille de craquelures. Ces travaux proposent un nouveau mécanisme d'endommagement dans l'acétate de cellulose plastifié basé sur des résultats expérimentaux et un modèle physique permettant une meilleure compréhension de la ductilité dans ces polymères / Cellulose acetate (CA) is a bio based polymer. Melt processing of cellulose based thermoplastic polymers is a real challenge. One problem is the existence of a narrow window between the melting point and the degradation temperatures for cellulose acetate with a substitution degree (DS) around 2.45 (which is developed and commercialized by Rhodia Acetow). As a consequence, its processing can only be considered with a sufficient amount of externalplasticizer (between 15 and 30% by weight). The corresponding polymer/plasticizer blends areamorphous and their mechanical properties are mainly governed by the presence of a high volume fraction of strong hydrogen bonds. The plasticization of cellulose acetate has been thesubject of many studies allowing us to focus on two plasticizers: triacetin (TA), an eco-friendlyplasticizer frequently used for cellulose acetate and diethyl phthalate (DEP) which is the historicplasticizer of cellulose acetate which constitutes a reference for this work as it is usually the case in the literature. Few studies have been published regarding the mechanical properties of bulk cellulose acetate (prepared via injection molding). It is described that they are comparable to those of PS or poly(methyl methacrylate) (PMMA) and have proven to be particularly interesting. Cellulose acetate based materials usually display a high Young modulus. But its small deformation at break limits its potential for new applications. The objectives of this thesis are to deeply understand the mechanical properties and damage mechanisms of bulk plasticized cellulose acetate polymers. For this purpose we first analyzed the tensile behavior and the influence of various parameters such as nature and content of the plasticizer, but also the influence of the injection process. We have thus been able to highlight the appearance of a strain hardening regime from 8% of deformation under certain conditions. It appears that the choice of the plasticizer, the temperature of the experiment and the macroscopic pre-orientation of the chains significantly influence this regime. Strain hardening has already been observed in other amorphous polymers such as polycarbonate (PC) or poly (methyl methacrylate) (PMMA) which are classified as amorphous polymers called "ductile". The origin of this regime is still undeveloped and much debated, however it appears that it stabilizes the deformation by avoiding the localization of damage and is therefore a key parameter for improving the ductility of these polymers. In order to better understand this ductility, we have made some analysis by Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) as well as Ultra Small Angles X-ray Scattering (USAXS). Thanks to these characterizations we have been able to describe the micromechanisms of damage from macro to nano-scales and thus precisely describe the micromechanisms related to initiation and propagation of damage. By these analyzes we highlight the simultaneous nucleation of nano crazes around pre-existing defects (related to the injection process). These crazes grow slowly until reaching the hundred microns. However, when the applied stress becomes sufficiently high, a small portion of these crazes starts to grow faster until the failure of the sample. With DEP the kinetics of growth is very fast, causing a brittle failure of the sample. With TA this growth is slower, which makes it possible to observe the evolution of the larger crazes. This work proposes a new mechanism of damage in plasticized cellulose acetate based on experimental results and physical interpretations

L’objectif de ces travaux est d’analyser les propriétés rhéologiques de l’acétate de cellulose, un polymère biosourcé. Afin de faciliter la mise en œuvre de l’acétate de cellulose, il est usuel d’y incorporer des plastifiants. Dans le but de développer la transformation de ce polymère par des procédés industriels conventionnels, il est nécessaire d’obtenir davantage d’informations rhéologiques pour différentes conditions d’écoulement. Le comportement rhéologique particulier d’un acétate de cellulose plastifié de degré de substitution 2,45 a été étudié à l’aide de différentes mesures rhéologiques. Des mesures viscoélastiques dans le régime linéaire ont été menées et des comportements inattendus ont été mis en évidence. Par rapport à des polymères thermoplastiques conventionnels, la structure et les dynamiques des relaxations des chaînes macromoléculaires d’acétate de cellulose semblent être plus complexes que celles des polymères synthétiques communs. Ces observations ont été confirmées par des mesures dans le régime non linéaire. Les résultats suggèrent que le comportement viscoélastique des chaînes d’acétate de cellulose n’est pas contrôlé par des enchevêtrements mais plutôt par une autre longueur de corrélation définie par l’existence de points d’interactions fortes entre les chaînes nommés stickers. Ces interactions engendrent un comportement d’échelle inhabituel suivant le taux de plastifiant et la température. / This present work deals with the rheological properties of cellulose acetate which is a biobased polymer manufactured from cellulose. In order to facilitate its forming process, cellulose acetate is usually blended with plasticizers. As the conventional industrial processes need rheological information for different flow conditions, viscoelastic behaviour of a plasticized cellulose acetate with a degree of substitution of 2,45 was investigated by various rheology experiments. Measurements in the linear regime were carried out for various plasticizer contents and some unexpected behaviours have been highlighted. Compared to conventional thermoplastic polymers, the structure and dynamics of the macromolecular chains of cellulose acetate seem to be more complex than that of common synthetic polymers. This was confirmed by measurements in the nonlinear domain. The results suggests that the viscoelastic behaviour of cellulose acetate chains is not controlled by entanglements but rather by another correlation length related to strong interactions between chains, named stickers. These interactions confer to the polymer dynamics an unusual scaling behaviour depending on plasticizer content and temperature.

Cette thèse porte principalement sur la compréhension des relations entre la microstructure et les propriétés rhéologiques des nano-composites à base d’un copolymère d’éthylène-acétate de vinyle (EVA). La première partie de l'étude concerne les nano-composites d’EVA avec de la cellulose nanocrystalline (NCC). Cette partie cherche à inférer la structure d’échantillons inconnus à l’aide de mesures rhéologiques. En analysant les propriétés obtenues par des mesures rhéologiques en cisaillement et en élongation, les principaux mécanismes étant à l’origine du renforcement de ces nano-composites sont étudiés en détail. Dans la deuxième partie du travail, on s’intéresse aux nano-composites contenant des particules isométriques (CaCO3) et anisométrique (argile). L'objectif est de déterminer l'effet de variables structurelles comme les interactions polymère-particule et particule-particule, l'état de dispersion, et en particulier la forme des particules sur les propriétés finales. Les mécanismes par lesquels ces paramètres influencent les propriétés rhélogiques ont été abordés en lien avec les prédictions par un modèle de fonction moléculaire de contrainte (MSF). Il a été constaté que plus les particules sont non-isométriques, plus les interactions polymère-particule et les interactions entre les particules sont élevées. Ainsi, l'effet de l’argile est beaucoup plus important que celui du CaCO3, et ce pour presque tous les comportements rhéologiques étudiés. La plupart des paramètres rhéologiques ont montré une divergence autour du seuil de percolation. Par conséquent, les modèles basés sur la dynamique des chaînes (modèle MSF) ne peuvent prédire le comportement après la percolation. Pour les systèmes percolés, les modèles basés sur le réseau fractal, qui considèrent les interactions entre les particules, ont été utilisés. / The main objective of this thesis is to understand the relations between microstructure and rheological properties of polymer nano-composites based on ethylene vinyl acetate (EVA) copolymer. The first part of the study is related to EVA-nano crystalline cellulose (NCC) composites. As a first step, determination of the unknown structure of the samples using rheological methods was investigated. By analyzing the properties obtained under shear and extensional deformations, the mechanisms leading to polymer reinforcement were investigated in details. In the second part, nano-composites containing isometric (CaCO3) and anisometric (clay) particles were used. The focus here was to determine the effect of structural variables such as polymer-particle and particle-particle interactions, state of dispersion, and in particular particle shape on the final properties of these nano-composites. The mechanisms involving these parameters were investigated through rheological properties and discussed with respect to experimental data. Predictions via the molecular stress function (MSF) model are also presented. It was found that higher particle anisomety led to greater polymer-particle and particle-particle interactions. Therefore, the effect of clay was much higher than CaCO3 on almost all the rheological parameters studied. But, lower predictability was found around the percolation concentration. Consequently, while a model based on chain dynamics could predict the behavior below percolation, such model failed to predict the response at higher concentrations. For percolated systems, models based on fractal networks, which include particle-particle interactions, were used.

Les biopolymères constituent une alternative crédible à l’utilisation des plastiques issus de ressources pétrolières. Dans cette étude, la transformation de l’amidon et de l’acétate de cellulose en présence de liquides ioniques en voie fondue (par extrusion) a été réalisée. Les caractéristiques physico-chimiques des formulations obtenues ont montré une dépendance vis-à-vis du type et de la concentration de plastifiant utilisé, mais aussi de l’humidité relative appliquée. De manière générale, les liquides ioniques ont présenté comparativement à des plastifiants usuels: une interaction plus privilégiée avec les deux polymères, une réduction beaucoup plus importante de la cristallinité, une diminution significative de la température de transition vitreuse et une plastification efficace des deux matrices polymères étudiées. Dans un deuxième temps, on s’est intéressé à associer le pouvoir de solvatation et de plastification du dioxyde de carbone supercritique (CO2Sc) sur la mise en oeuvre de l’amidon par les liquides ioniques. Les résultats les plus importants ont montré que le CO2Sc est capable d’interagir sur l’amidon et sur les liquides ioniques, de sorte qu’il peut induire une diminution de la température de la transition vitreuse de l’amidon plastifié / Biopolymers are viable alternatives to the use of conventional plastics derived from fossil fuels resources. In this study, our objective, beyond doing the melt processing ionic liquids plasticized starch and cellulose acetate in laboratory scale microcoumpounder which simulate the performance of a co-rotating twin screw extruder, are to investigate the effects and influence of ionic liquids and water on the intrinsic properties of the materials which are prepared. In general ways, processing with ionic liquids compared with conventional plasticizers, presents: a better interaction with starch and cellulose acetate, a more efficient depressor of glass transition temperature and allows the production of processed materials with efficient crystallinity destruction and plasticization. In the second step, we investigate the effects of supercritical carbon dioxide on the processing of starch with ionic liquid and the effects of the processing pressure, temperature and duration of supercritical carbon dioxide (ScCO2), which is an environmentally-friendly component, on the properties of plasticized starch. The significant results show that ScCO2 is capable of interacting with starch chains and with ionic liquids, so that it may induce a decrease in the glass transition temperature of the plasticized starch

Lors de la production industrielle du biocarburant éthyl tert-butyl éther (ETBE), cet éther forme un azéotrope contenant 20 % d'éthanol. Comparé à la distillation ternaire utilisée pour la purification de l'ETBE, le procédé membranaire de pervaporation pourrait offrir une alternative intéressante et d'importantes économies d'énergie. Des membranes cellulosiques ont principalement été décrites pour cette application. En particulier, la sélectivité de l'acétate de cellulose (CA) était extrêmement élevée mais son flux trop faible. Dans cette thèse, différentes stratégies de greffage ont été explorées pour améliorer ses propriétés membranaires. La première a mis en œuvre la chimie "click" pour le greffage d'oligomères polylactide, conduisant à des membranes bio-sourcés originales pour cette application. Le greffage de liquides ioniques (LIs) a ensuite été étudié, initialement par chimie "click" (échec dû à des réactions secondaires) puis par une autre stratégie en 2 étapes impliquant une simple substitution nucléophile. Une seconde série de matériaux cellulosiques a été obtenue avec des LIs contenant un même anion bromure et différents cations (imidazolium, pyridinium ou ammonium) de polarité croissante. Une troisième série de nouveaux matériaux membranaires a ensuite été développée en échangeant l'anion bromure par différents anions Tf2N-, BF4-, and AcO-. Les propriétés membranaires de tous les matériaux greffés ont finalement été évaluées sur la base du modèle de sorption-diffusion, révélant que la sorption et la pervaporation étaient conjointement améliorées par les différentes stratégies de greffage développées. / During the industrial production of ethyl tert-butyl ether (ETBE) biofuel, this ether forms an azeotropic mixture containing 20 wt% of ethanol. Compared to the ternary distillation currently used for ETBE purification, the pervaporation membrane process could offer an interesting alternative and important energy savings. Cellulosic membranes have been mainly reported for this application. In particular, the selectivity of cellulose acetate (CA) was outstanding but its flux was too low. In this work, different grafting strategies were developed for improving the CA membrane properties for ETBE purification. The first strategy used "click" chemistry to graft CA with polylactide oligomers leading to original bio-based membranes for the targeted application. The grafting of ionic liquids onto CA was then investigated first by "click" chemistry (unsuccessful due to side reactions) and then by another two-step strategy implying simple nucleophilic substitution. A second series of cellulosic materials was obtained by grafting different ionic liquids containing the same bromide anion and different cations (imidazolium, pyridinium or ammonium) with increasing polar feature. A third series of new membrane materials was finally developed by exchanging the bromide anion with different anions Tf2N-, BF4-, and AcO-. The membrane properties of all grafted CA membranes were finally assessed on the basis of the sorption-diffusion model, which revealed that both sorption and pervaporation properties were improved by the different grafting strategies

Face à la diminution croissante des ressources d'origine fossile, une attention particulière est portée depuis plusieurs années envers l'utilisation de ressources renouvelables. Dans ce contexte, beaucoup de recherches sont orientées vers l'utilisation de polysaccharides tels que la cellulose. L'intérêt de ces composés est qu'ils sont abondants, peu chers et biodégradables. A l'inverse, ces polymères possèdent une faible résistance mécanique limitant ainsi leurs applications. De manière à moduler les propriétés de ces polymères, une alternative consiste à les modifier chimiquement par greffage de chaînes de polymères synthétiques. Néanmoins, les stratégies de greffage décrites dans la littérature présentent certaines limitations notamment sur la facilité de mise en oeuvre, la toxicité des méthodes employées, le nombre d'étapes de synthèses ou encore le contrôle des masses molaires. Par ailleurs, la caractérisation de ces architectures complexes reste délicate notamment pour prouver le greffage covalent des chaînes de polymère sur le polysaccharide. C'est précisément dans cet axe de recherche que s'insère ce sujet de thèse. Plus particulièrement, l'objectif principal consiste à mettre au point une méthode de greffage de l'acétate de cellulose robuste et facile à mettre en oeuvre, en vue d'une utilisation potentielle en tant que compatibilisant de mélange de polystyrène et d'acétate de cellulose. Afin d'atteindre cet objectif, notre stratégie a consisté à utiliser la polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes (NMP) où une attention particulière a été portée sur la caractérisation structurale des matériaux synthétisés (RMN du solide et DOSY, RPE, CES, DLS et DSC). / In order to respond to the fossil resources depletion, a particular attention was paid to the use of renewable resources since several years. In this context, many researches focus on the use of polysaccharides such as cellulose. These compounds are attractive because of their abundance, low cost and biodegradability. On the other hand, these polymers suffer from weak mechanical resistance limiting their practical applications. Grafting synthetic polymers chains on these natural polymers is an alternative to this problem. Nevertheless, grafting strategies described in the literature involve certain limitations such as the difficulty of implementation, the toxicity of the used methods, the great number of synthesis steps or the control of molar mass. Moreover, the characterization of these complex architectures remains delicate in order to prove the covalent grafting of chains on the polysaccharide. In line with this research context, the topic of this thesis concerns the development of a robust method for cellulose acetate polymer grafting. Moreover, the selected method has to be easy to implement, with a possible application as a compatibilizer for blending of polystyrene and cellulose acetate. In order to achieve this purpose, our strategy is based on the use of Nitroxide-Mediated Polymerization (NMP) where particular attention was paid to the structural characterization of synthesized materials (solid state NMR, DOSY NMR, ESR, SEC of grafts, DLS and DSC).