Cette thèse en partenariat industriel s’intéresse aux peintures polyuréthane et époxy utilisées à des fins protectrices pour des applications ferroviaires. L’objectif de ce projet est de développer de nouveaux additifs spécifiques à ces peintures afin d’améliorer les propriétés mécaniques et adhésives des films sur acier, tout en gardant une bonne dispersion des charges minérales présentes dans la formulation. Des additifs polymères ont été développés. Ces polymères miscibles avec la résine ont été synthétisés par polymérisation cationique (technique du monomère activé) ou anionique coordinée, et présentent différents degrés de polymérisation. Ces polymères sont fonctionnalisés d’une part par un groupement réactif vis-à-vis des charges minérales afin d’assurer leur dispersion, et d’autre part par un groupement réactif vis-à-vis de la résine (polyuréthane ou époxy) afin d’optimiser les propriétés mécaniques des films finaux par ancrage des charges au réseau. Des études par analyses thermogravimétrique et granulométrie laser ont permis de sélectionner les additifs les plus pertinents et de mettre en évidence leur efficacité sur la désagglomération des charges, notamment par rapport aux dispersants commerciaux actuellement utilisés. Des essais mécaniques sur des films de peintures libres ont montré l’impact positif des additifs sur les propriétés mécaniques et adhésives des films sur acier, tant pour les peintures polyuréthane que pour les peintures époxy. Ces nouveaux additifs jouent donc le rôle d’agent dispersant et de promoteur d’adhésion. / Polyurethane and epoxy paints are used in rail applications for protective purposes. The aim of this Ph.D thesis was to develop new additives to improve mechanical and adhesive properties of polyurethane and epoxy paints on steel, keeping good dispersion of pigments and fillers present in paint formulation. Additives were designed as dispersing agents. A polymer which is miscible with the resin paint is synthesized by ring-opening polymerization with different polymerization degrees. Post-modifications were realized to introduce reactive functions ensuring the dispersion of fillers and pigments, and to optimize mechanical properties of paint films (anchoring fillers and pigment to the resin). Thermogravimetry analysis and dynamic light scattering were used to select the best additives and to underline their efficiency on the deagglomeration of pigments and fillers, especially compared to commercial dispersing agents currently used. Mechanical tests highlight that new additives enhanced mechanical and adhesives properties of paint films on steel, both for polyurethane and epoxy paints. Additives, designed as coupling agents, are used at as dispersing agents and adhesion promoters.

La séparation du CO2 d'un mélange de gaz par cristallisation d'hydrates de gaz est un procédé qui pourrait à terme présenter une alternative intéressante aux techniques conventionnelles de capture du CO2. L'objectif de cette thèse était d'évaluer le potentiel de ce procédé "hydrates" pour séparer le CO2 d'un mélange CO2-CH4 riche en CO2. Nous avons étudié en particulier la sélectivité de la séparation vis-à-vis du CO2 et la cinétique de cristallisation des hydrates, ainsi que l'effet d'additifs thermodynamiques et cinétiques (et de certaines de leurs combinaisons) sur ces deux paramètres pour différentes conditions opératoires (pression, température, concentrations). Les expériences de formation/décomposition d’hydrates ont été réalisées en mode "batch" dans un réacteur haute pression faisant partie d'un pilote expérimental conçu et construit entièrement pendant cette thèse. Un modèle semi-empirique a été également développé pour estimer le taux de conversion de l’eau en hydrate et la composition des différentes phases en présence (hydrates, liquide et vapeur) à l'équilibre. Les résultats obtenus montrent que l'association du sodium dodécyl sulfate (SDS), utilisé en tant que promoteur cinétique, avec du tétrahydrofurane (THF), utilisé en tant que promoteur thermodynamique, permet d'obtenir des résultats intéressants en terme de quantité d'hydrates formés et de cinétique de formation. La sélectivité de la séparation vis-à-vis du CO2 reste cependant trop faible (en moyenne quatre molécules de CO2 piégées dans la structure de l'hydrate pour une de CH4) pour envisager d’utiliser ce procédé "hydrates" à plus grande échelle afin de séparer le CO2 de ce type de mélange de gaz. / The separation of CO2 from a gas mixture by crystallization of gas hydrates is a process that could eventually provide an attractive alternative to the conventional techniques used for CO2 capture. The aim of this thesis was to evaluate the potential of this "hydrate" process to separate CO2 from a CO2-CH4 gas mixture, rich in CO2. We have studied in particular the selectivity of the separation toward CO2 and the hydrate crystallization kinetics. The effects of thermodynamic and kinetic additives (and some additive combinations) on these two parameters for different operating conditions (pressure, temperature, concentrations) were evaluated. Hydrate formation and dissociation experiments were performed in "batch mode” in a high pressure reactor, and with an experimental pilot rig designed and built entirely during this thesis. A semi-empirical model was also developed to estimate the water to hydrate conversion and the composition of the different phases (hydrates, liquid and vapor) at equilibrium. The results show that the combination of sodium dodecyl sulfate (SDS) used as a kinetic promoter, with tetrahydrofuran (THF) used as a thermodynamic promoter, provides interesting results in terms of both the amount of hydrates formed and the hydrate formation kinetics. The selectivity of the separation toward CO2 remains too low (an average of four CO2 molecules trapped in the hydrate structure for one of CH4) to consider using this "hydrate" process on a larger scale to separate CO2 from such a gas mixture.

Limiter le vieillissement des accumulateurs lithium-ion est un challenge pour optimiser leur utilisation notamment dans le domaine spatial. La qualité de la couche de passivation (SEI), formée à la surface de l’électrode négative de graphite lors des premiers cycles de vie de la batterie, est déterminante pour ses performances futures. Celle-ci est composée de polymères et de divers sels de lithium dont la dissolution, la précipitation et la migration affectent les performances. Cette étude vise à comprendre l’impact de ces composés sur la cyclabilité et de proposer des solutions à l’effet néfaste de ces sels sur le bon fonctionnement et le vieillissement de l’accumulateur Li-ion. La première partie de ce travail aborde l’impact de divers sels de lithium de la SEI (LiF, Li2CO3, LiOH, LiOCH3, LiOC2H5) sur le comportement en cyclage des accumulateurs. Par la suite, nous avons proposé des solutions pour améliorer le comportement qu’engendre la présence de ces sels sur les performances à travers deux approches. La première concerne l’utilisation de co-solvants complexants de la famille des glymes. La seconde approche consiste à modifier les propriétés interfaciales électrodes/électrolyte par l’ajout d’additifs tensioactifs à l’électrolyte. Les résultats montrent dans les deux cas des améliorations notables de la cyclabilité des dispositifs en demi-pile et en cellule complète. / Limiting the lithium-ion batteries ageing is a challenge to overcome in the field of spatial applications. The quality of the solid electrolyte interfaces (SEI), created at the electrode surface during the first cycles of the battery, is decisive for its future performances. The SEI is composed of polymers and several lithium salts which are able to dissolve, precipitate and migrate in the electrolyte and hence modify the battery performances. This study aims to understand the impact of the dissolution of these compounds on the cell cycling ability and to propose solutions to avoid the harmful effects of these salts on the battery ageing. The first part of this study is devoted to the study of the effect of dissolved SEI lithium salts (LiF, LiOH, Li2O, Li2CO3 , LiOCH3, LiOC2H5) on the cycling ability of half and full cells.In order to improve the battery performances in spite of the presence of these SEI salts in the electrolyte, two solutions have been examined. The first one is to add a co-solvent belonging to the glyme family which is able to form complexes with lithium ions and the second to use a surfactant additive which will modify the interfacial electrode/electrolyte properties. Results show that in both cases an improvement in half-cell or full-cell cycling ability was achieved.

En raison de leur faible pression de vapeur et de leur stabilité électrochimique (5~6 V) et thermique, les dinitriles N≡C-(CH2)n-C≡N sont proposés comme solvants d’électrolytes alternatifs aux carbonates d’alkyles habituellement utilisés dans les batteries Li-ion. L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement physico-chimique de ces électrolytes alternatifs (viscosité, conductivité ionique, comportement thermique, propriétés volumétriques, etc.) et leur compatibilité avec une application dans les batteries Li-ion. Deux systèmes de batteries sont étudiés en utilisant une électrode positive d’oxyde lamellaire (LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) associée à une électrode négative à bas potentiel (graphite) ou à plus haut potentiel (Li4Ti5O12). La cyclabilité des électrodes en demi-pile et en pile complète est étudiée en fonction de la composition de l’électrolyte et de la nature du dinitrile utilisé. Les techniques de caractérisations suivantes : spectroscopie d’impédance électrochimique, microscopie électronique et spectroscopie de photoélectrons aux rayons X, sont utilisées pour suivre le processus de passivation des électrodes par formation d’une interface solide (SEI). L’effet de la présence d’additifs favorisant la formation de la couche de passivation a été étudié et leur efficacité est ainsi clairement mise en évidence. / Due to their low vapor pressure as well as their electrochemical (5~6 V) and thermal stability, dinitriles N≡C-(CH2)n-C≡N are proposed as alternative electrolyte solvents to alkyl carbonates commonly used in Li- ion batteries. The objective of this thesis is to study the physico-chemical behavior of these alternative electrolytes (viscosity, ionic conductivity, thermal behavior, volumetric properties, etc.) and their use in Li-ion batteries. Two battery systems are studied using a lamellar oxide (LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) as positive electrode associated with graphite or Li4Ti5O12 as negative electrodes. The cyclability of electrodes in half-cell and full-cell is studied according to the electrolyte composition and the nature of the dinitrile used. Characterization techniques like: electrochemical impedance spectroscopy, electron microscopy and X-Ray photoelectrons spectroscopy, are used to study the passivation of the negative electrode and the stability of the positive electrode. The effect of adding specific solid electrolyte interphase (SEI) builders is investigated and their efficiency is hence clearly demonstrated.

Les accumulateurs graphite/LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) permettent d’atteindre des densités d’énergie élevées grâce à leur tension de 5V. Toutefois, une dégradation des électrodes et des électrolytes à base d’alkylcarbonates et de LiPF6 a lieu à haut potentiel reste un problème qu’il est nécessaire de résoudre. L’ajout d’additifs fonctionnels à l’électrolyte comme l’AS, l’AM, le FEC ou le LiBOB forme des films de passivation aux interfaces électrode/électrolyte. Ces films réduisent la dégradation des matériaux et de l’électrolyte de l’accumulateur Gr/LNMO. Pour étudier le mécanisme d’action de ces additifs, les interfaces graphite/électrolyte et LNMO/électrolyte ont été caractérisées au moyen de cellules symétriques Gr/Gr et LNMO/LNMO et de cellules complètes. Les interfaces ont été étudié par spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) et photoélectronique à rayons X (XPS). De plus, l’électrolyte a été analysé par chromatographie en phase gazeuse liée à la spectrométrie de masse (GC-MS). / Gr/LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) accumulators achieve higher energy densities than current commercial batteries. However, degradation of electrodes and electrolytes based on alkylcarbonates and LiPF6 takes place at high potential remains a problem which it needs to be resolved. The addition of functional additives to the electrolyte such as AS, AM, FEC or LiBOB which form passivation films at the electrode/electrolyte interfaces is a possible solution to these issues. These films reduce the degradation of materials and the oxidation of electrolyte in the Gr/LNMO accumulator. In order to study action mechanism of these additives, graphite/electrolyte and LNMO/electrolyte interfaces were characterized by symmetric Gr/Gr and LNMO/LNMO cells and full cells. Interfaces were investigated by electrochemical impedance spectroscpoy (EIS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) while the electrolyte was analyzed by mass spectrometric gas chromatography (GC-MS).

L’objectif de ces travaux de thèse a été de développer des polyesters issus de ressources oléagineuses pour les utiliser comme additifs pour moduler la viscosité d’huiles lubrifiantes. Pour ce faire, l’approche par polycondensation de monomères de type hydroxy-acide a été privilégiée. Dans un premier temps, le poly(ricinoléate de méthyle) et son homologue saturé, le poly(12-hydroxystéarate de méthyle), ont été synthétisés dans une large gamme de masses molaires et leur utilisation comme épaississant d’huiles lubrifiantes a été démontrée. Dans un second temps, des polyesters dérivés du poly(ricinoléate de méthyle) et présentant des architectures de polymère en peigne ont été synthétisés par addition thiol-ène et polycondensation. Une étude de l’impact de l’architecture de ces polyesters sur leur comportement en solution a permis de prouver que les structures en peigne étaient les plus adaptées pour des applications visant, à la fois, un épaississement et une diminution du point d’écoulement de l’huile lubrifiante. Par la suite, des copoly(9-alkyl 12-hydroxystéarate)s en peigne possédant différentes chaînes pendantes ont été synthétisés afin de contrôler leur solubilité dans une huile minérale, la Yubase 4+, et ont permis de réduire la diminution de viscosité de cette huile avec la température. Finalement, l’étude dans le dodécane de deux copoly(9-alkyl 12-hydroxystéarate)s en peigne a révélé un phénomène d’agrégation des chaînes polymères lesquelles se désagrègent avec l’augmentation de la température, ce qui est en accord avec un des mécanismes d’action des additifs modulant la viscosité des huiles lubrifiantes décrit dans la littérature. / The aim of this thesis was to promote the use of polyesters from oleaginous resources as viscosity control additives for lubricants. The hydroxyl-acid type monomers were polymerized through polycondensation route. First, poly(methyl ricinoleate) and its homologous poly(methyl-12-hydroxystearate) were synthesized in a large range of molecular weights and their use as thickeners of lubricant oils was demonstrated. Secondly, comb polyesters derived from poly(methyl ricinoleate) were designed via thiol-ene addition and polycondensation process. The effect of the polyester architecture on their behavior in solution was investigated and revealed that comb polymers are the most suitable for applications that required a thickening efficiency and a pour point depressant effect. Then, comb (co)poly(9-alkyl 12-hydroxystearate)s with various pendant alkyl chains were designed in order to control their solubility in a mineral oil, the Yubase 4+, and to limit the oil viscosity decrease of these oils with temperature. Finally, the behavior in dodecane of two comb (co)poly(9-alkyl 12-hydroxystearate)s revealed that the polymer chains tend to aggregate at low temperature and to disaggregate with the temperature increase. This phenomenon is in accordance with one of the oil Viscosity Index Improver behaviors, described in literature.

Les traitements plasma sont devenus des moyens incontournables et puissants pour modifier les propriétés de surface de nombreux matériaux sans intervenir sur les propriétés massiques et ceci en étant respectueux de l’environnement. Si ces traitements ont été appliqués à de nombreuses reprises aux élastomères réticulés pour améliorer leurs propriétés d’adhérence, ils n’ont quasiment jamais été appliqués à des élastomères non réticulés. Les expositions plasma ont été réalisées à basse pression, en décharge radiofréquence dans un environnement d’air. Pour limiter la complexité de l’étude et pour obtenir une meilleure compréhension des mécanismes d’interaction plasma-surface, un SBR et un polybutadiène (BR) non chargés et non réticulés ont été utilisé comme élastomères modèles. Le rôle d’un d’antioxydant (6PPD) classiquement utilisé a également été étudié. L’influence de la configuration du réacteur plasma sur les modifications surface a été suivie par mouillabilité et spectroscopie XPS. La cartographie des espèces plasmagènes a été obtenue par spectroscopie d’émission optique.L’augmentation du caractère hydrophile des surfaces avec l’énergie du plasma jusqu’à un seuil énergétique a pu être mise en évidence. Au-delà les phénomènes d’ablation et de réticulation de surface deviennent prépondérants. Les modifications de surface et leur cinétique de réorganisation de surface des chaînes polymère dépendent essentiellement de la température, l’environnement est un paramètre secondaire. L’influence de ces modifications physico-chimiques de surface induite sur les propriétés de tack est clairement mise en évidence. L’augmentation du caractère hydrophile conduit à une augmentation importante des performances adhésives instantanées (temps courts de contact 100s) au contact du verre. Par contre, la réticulation superficielle consécutive à des expositions plasma trop énergétiques diminue de façon drastique l’autohésion, ie le contact entre deux surfaces élastomères traitées. Le rôle de l’antioxydant sur la recombinaison des radicaux macromoléculaires formés lors du traitement a été montré. Le succès de la mise en œuvre d’un traitement de surface par plasma repose sur le contrôle du seuil énergétique à ne pas dépasser de sorte à minimiser les phénomènes de réticulation superficielle. / Plasma treatment has become a powerful candidate to modify surface properties without any change in bulk properties. It combines high chemical reactivity with low operational costs, in environmentally friendly processes. Plasma treatment has been intensively applied for surface modification of vulcanized rubbers. Almost no studies have been dedicated to plasma treatment of unvulcanized rubbers. The role of each additive during plasma exposure is poorly understood. It is also admitted that surface crosslinking occurs easily on rubber surfaces exposed to plasmas. This impacts the adhesive properties of the rubbers because it mimics chain interdiffusion. In this context, determining the key plasma parameters that have a significant effect on the surface properties is a prerequisite for further process control. To limit the complexity of the study, we concentrated our efforts on unvulcanized filler-free styrene butadiene rubber (SBR) and polybutadiene rubber (BR) which has been used for the first time as rubber models. The effect of three main parameters that directly impact the amount of energy and the nature of the excited species in the plasma phase (i.e. the RF source power, the exposure time and the distance between the rubber samples and the plasma) was analyzed. Optical Emission Spectroscopy was used to characterize the plasma phase. Surface modifications were investigated by wettability measurements and X-Ray Photoelectron Spectroscopy. Surface aging was investigated under ambiant and inert atmosphere at different temperatures and finally tack properties were measured and connected to surface properties determined with optical emission spectroscopy.

Pour une variété affine S définie sur un corps k de caracteristique nulle, il y a une correspondence bijective entre les actions algébriques du groupe additif k+=(k,+) sur S et les dérivations localement nilpotentes de l'algèb re des fonctions régulières sur S. Dans cette thèse, nous transposons cette équi valence entre actions et dérivations à la situation plus générale où π:S → X est un schéma de base X donnée, admettant des actions d'un fibré en droites p:L → X sur X. Nous étudions en détail une sous-classe de schémas S de ce type, ayant la propriété d'être muni d'une structure de fibré principal homogène sous l'action d'un second fibré en droites p':L' → Y sur un X-schéma δ:Y → X, de telle sorte que l'action de δ*L sur S se factorise via celle de L'. Nous les appelons schémas de Danielewski-Fieseler. Nous donnons plusieurs procédés de construction de ces schémas. En particulier, lorsque X est affine, nous décrivons un algorithmique permettant d'obtenir des plongements explicites d'un schéma de ce type dans un espace affine relatif de base X. Dans un second temps, nous étudions la situation où le schéma de base X est une droite affine sur un corps k de caractéristique nulle. Dans ce cas, nous établissons qu'un sc héma de Danielewski-Fieseler X est déterminé de manière unique par la donnée combinatoire d'un arbre pondéré. Nous donnons une classification de ces schémas en fonction des arbres associés. Finalement, nous caractérisons les schémas de ce type qui admettent plusieurs actions du groupe additif k+ avec orbites générales distinctes.

Les fullerènes de bisulfure métallique de type ( M eS2 , où Me= Mo et W) rencontrent un intérêt croissant du fait de leurs pouvoirs anti usure et réducteur de frottement en régime de lubrification limite. Les propriétés tribologiques de ces nanoparticules, dépendent à la fois de leurs caractéristiques intrinsèques (structure, morphologie, taille, ... ), des conditions de sollicitations (nature des surfaces, pression, température, ... ) ainsi que du cocktail d'additifs présent dans une formulation d'huile moteur. La compréhension de l'origine de ces propriétés passe obligatoirement par une parfaite connaissance du mode d'action des nanoparticules. L'objectif de ce travail de thèse est d'identifier les paramètres pouvant avoir une influence sur le comportement des nanoparticules à l'échelle nanométrique et de faire le lien entre ce comportement, les mécanismes de lubrification des nanoparticules, et leurs propriétés tribologiques. Afin de répondre à cet objectif nous avons adopté une approche multi échelle qui consiste dans un premier temps à étudier le comportement de fullerènes individuels (IF - M eS2 , ou Me= Mo et W) en cours de sollicitation. Ainsi grâce à une méthodologie expérimentale originale couplant la technique de nano indentation à une observation in situ dans un microscope électronique à transmission haute résolution (HRMET), nous avons visualisé pour la toute première fois et en temps réelle comportement de nanoparticules individuelles d'if- M eS2 (Me= Mo et W) sollicitées en compression et/ou en cisaillement dans un contact dynamique. Cette étude a permis d'identifier l'influence des caractéristiques intrinsèques des fullerènes sur leur réponse à l'échelle nanométrique et d'estimer des pressions de contact pour lesquelles le fullerène s'exfolie, roule ou glisse dans le contact. Nous nous sommes ensuite intéressés aux mécanismes de lubrification des fullerènes en dispersion dans une base lubrifiante, en condition de lubrification limite. En se basant sur des analyses XPS et des observations MEB et MET des tribofilms et des débris d'usure générés à l'issu d'essais de frottement réalisés dans trois contacts de nature différente (acier, alumine et DLC), nous avons clairement montré que les propriétés lubrifiantes des nanoparticules d'IF - M eS2 (Me= Mo et W) dépendaient à la fois de leurs caractéristiques intrinsèques et de la nature des surfaces frottantes. Ainsi un lien a été établi entre le comportement des fullerènes à l'échelle nanométrique et leur mode d'action dans un contact tribologique. Enfin, l'influence de la mise en dispersion des nanoparticules sur leurs propriétés tribologiques a été étudiée. Les propriétés tribologiques des nanoparticules dans une huile moteur ont été également évaluées. Deux approches expérimentales de type 'Bottom up' et 'Top dawn'ont été adoptées afin d'évaluer les interactions entre les nanoparticules et l'ensemble des additifs présents dans une huile complétement formulée. L'influence de la température sur les propriétés tribologiques des nanoparticules a été également abordée.

Grâce à ses propriétés d'antioxydant, d'anti-usure et éventuellement d'extrême pression le dithiophosphate de zinc (ZDDP) fait partie des additifs les plus utilisés dans les lubrifiants pour moteurs thermiques. De nos jours, dans un souci de respect de l'environnement, de nouveaux lubrifiants possédant de bonnes performances en lubrification (frottement faible et usure limitée) sont développés en prenant compte des limitations d'utilisations actuelles du ZDDP. L'idée étant de réduire dans ceux-ci les teneurs en phosphore et soufre (Normes euros VI), éléments essentiels du ZDDP qui endommagent les pots catalytiques. L'objectif de cette thèse est l'étude du comportement tribologique du phosphate de zinc di alkyl (ZP) en comparaison avec le ZDDP. La méthodologie expérimentale étudiée pour comprendre le mécanisme d'action de ces additifs, associe des essais de frottement à descaractérisations physico-chimiques des surfaces frottantes après essais.Cette comparaison a été effectuée en fonction de la température (25°C et 100°C), la vitesse de glissement (25, 50 et 100 mm/s) et la concentration en additif (200 et 600 ppm dephosphore). Les meilleures actions anti-usure sont obtenues avec le ZDDP pour une température de 100°C et une vitesse de glissement de 100 mm/s et le ZP pour une température de 25°C et une vitesse de glissement de 25 mm/s. Les analyses de surface XPS, AES, XANES et MET-EDX ont permis de mettre en évidence la présence d'un film protecteur constitué principalement de phosphate de zinc, ceci pour les deux additifs.Une synergie de comportement tribologique a été mise en évidence avec un lubrifiantconstitué de ZP (usure faible) et d'oléate d'urée (frottement faible). Des essais complémentaires sur un tribomètre dynamique ont permis d'étudier le niveau de frottement du tribofilm formé à partir du ZDDP. Le caractère visqueux du tribofilm de ZDDP a été mis en évidence.