Le mélange de polymères offre une voie pratique et économique pour élaborer de nouveaux matériaux qui peuvent avoir des propriétés que chacun des polymères ne possède pas nécessairement. L’élaboration de mélanges de polymères à base de PP a souvent pour objet d’obtenir des matériaux avec une résistance au choc élevée, une rigidité suffisante et une processabilité adéquate. Le polycarbonate (PC) est mélangé avec le PP en raison de ses propriétés exceptionnelles (rigidité élevée et résistance au choc excellente) par rapport à d’autres polymères techniques. Le PC se disperse mal dans le PP car ils sont immiscibles entre eux et leur rapport de viscosité très élevé. La clé pour obtenir des mélanges PP/PC avec une résistance au choc élevée et une rigidité suffisante consiste à les compatbiliser et à diminuer le rapport de viscosité de manière efficace. De nouveaux agents compatibilisants ont été développés pour renforcer les interactions entre le PC et le PP et contrôler la morphologie des mélanges. Les mélanges PP/PC obtenus ont une très résistance au choc et une rigidité suffisante. La performance des agents compatibilisants ainsi que les mécanismes d’amélioration de la résistance au choc ont été étudiés. L’évolution de la morphologie des mélanges PP/PC ainsi que la relation entre la composition et la microstructure ont été simulées avec l’aide des théories de dynamiques à l’échelle moléculaire et mésoscopique / Polymer blending provides a practical and economic way of preparing new materials with combinations of properties not available in a single polymer. In order to improve the toughness of polypropylene while retaining its rigidity as much as possible, a new concept “rigid–rigid polymer toughening” was developed. Polycarbonate (PC) was selected to blend with PP in this study because of the advantages it provides over many other conventional engineering polymers in terms of high strength and toughness. The key to obtaining materials with high toughness and balanced rigidity relies on effectively compatibilizing this polymer pair and reducing the viscosity ratio. In this study, novel compatibilizers for the PP/PC blend were prepared or chosen to promote interactions between PP and PC and control the morphology of the blend. Some of the compatibilizers took the role of both compatibilizer and toughener. The performance of compatibilizers and toughening mechanism of blends were studied in detail. The morphology evolution of PP/PC blends and the relationship between the composition and microstructure were simulated based on molecular dynamics and mesodyn theories

Le mélange de polymères est une méthode répandue pour élaborer des matériaux polymères. Cependant, la plupart des polymères sont thermodynamiquement immiscibles entre eux, engendrant une séparation de phase des mélanges et une détérioration de leurs propriétés. Afin de palier ces problèmes, la méthode dite compatibilisation réactive est souvent employée. Elle est basée sur la formation in-situ de copolymères à bloc ou greffés par l’intermédiaire de réactions interfaciales entre polymères réactifs. Cette thèse a pour objet de développer un concept dit agent compatibilisant-traceur réactif qui permettra d’utiliser de faibles quantités d’agents compatibilisants réactifs pour évaluer leurs efficacités de compatibilisation directement sur des extrudeuses bi-vis industrielles, d’une part ; et de caractériser la performance du mélange d’une extrudeuse bi-vis en fonction des conditions opératoires et/ou du profil de vis employé. Ses principales contributions se résument ci-après. L’anthracène de 9-méthylaminométhyle (MAMA), une molécule fluorescente, est incorporée dans un copolymère statistique de styrène (St) et d’isocyanate de 3-isopropenyle-?, ?’-diméthylebenzène (TMI), noté PS-TMI, pour former un agent compatibilisant-traceur réactif, noté PS-TMI-MAMA. Ce dernier sert à la fois comme agent compatibilisant réactif grâce aux groupements isocyanate et traceur grâce aux groupements fluorescents. Il est utilisé pour les mélanges à base de polystyrène (PS) et de polyamide 6 (PA6) afin d’évaluer son efficacité de compatibilisation. Les mélanges PS/PA6 sont élaborés dans un mélangeur discontinu et une extrudeuse bi-vis, respectivement. Dans le cas du mélangeur discontinu, la quantité du copolymère greffé formé in-situ, noté PS-g-PA6-MAMA, augmente alors que le diamètre des domaines de la phase dispersée (DDD) diminue considérablement au début du mélange. Lorsque le mélange se poursuit, le nombre de greffons en PA6 du PS-g-PA6-MAMA augmente, engendrant une composition très asymétrique du PS-g-PA6-MAMA qui est thermodynamiquement instable aux interfaces. De ce fait, il peut être arraché des interfaces vers la phase PA6 et peut y former des micelles. Lorsqu’il est arraché des interfaces, il perdra son efficacité de compatibilisation et le DDD augmentera. L’action du mélange a un double effet sur le procédé de compatibilisation réactive. Il promeut la réaction interfaciale entre le PS-TMI-MAMA et le PA6, d’une part ; et aggrave l’arrachage du PS-g-PA6-MAMA de l’interface, d’autre part. L’utilisation de faibles quantités de l’agent compatibilisant-traceur réactif permet de mesurer les évolutions de la teneur en agent compatibilisant-traceur réactif, du DDD et de la teneur en agent compatibilisant-traceur réactif ayant réagi en fonction du temps de séjour dans une extrudeuse bi-vis. Pour une masse molaire donnée, l’efficacité de compatibilisation d’un agent compatibilisant-traceur réactif augmente avec l’augmentation de la teneur en TMI dans une certaine limite. Pour une teneur en TMI donnée, la réaction interfaciale est plus rapide avec la diminution de la masse molaire dans une certaine limite et le DDD devient plus petit en un temps plus court. L’influence du taux de remplissage de la vis est plus significative que celle du temps de séjour. Lorsque le taux de remplissage de la vis augmente, le taux de la réaction interfaciale augmente et le DDD diminue. Lorsque l’angle d’un élément de mélange augmente, les efficacités du mélange distributif et du mélange dispersif augmentent, ce qui se traduit par une augmentation de la quantité du PS-g-PA6-MAMA formée et une diminution du DDD par rapport à la même quantité de PS-g-PA6-MAMA produite. Lorsque la largeur d’un élément de mélange augmente, l’efficacité du mélange distributive augmente alors que celle du mélange dispersif demeure inchangée. La substitution d’éléments de mélange par des éléments inverses améliore l’efficacité du mélange distributif et celle du mélange dispersif / Polymer blending is a common method to prepare high-performance polymer materials. However, most polymer pairs are thermodynamically immiscible, leading to phase separation and deterioration in material properties. To overcome such problems, the most common method is reactive compatibilization which is based on the in-situ formation of a graft or block copolymer by interfacial reaction between reactive polymers. This thesis aims at developing a concept of reactive compatibilizer-tracer which will allow using small amounts of reactive compatibilizers to evaluate their compatibilizing efficiency in industrial scale twin screw extruders, on the one hand; and to characterize the mixing performance of a twin screw extruder as a function of process conditions and/or screw profile. Its main contributions are summarized below. 9-(methylaminomethyl) anthracene (MAMA), a fluorescent molecule, is incorporated into a random copolymer of styrene (St) and 3-isopropenyl-?, ?’-dimethylbenzene isocyanate (TMI), denoted as PS-TMI, to form a reactive compatibilizer-tracer, denoted as PS- TMI-MAMA. The latter serves both as a reactive compatibilizer due to its isocyanate moieties and a tracer due to its fluorescent moieites. It is used for polystyrene (PS)/polyamide 6 (PA6) blends to evaluate its compatibilizing efficiency. Compatibilized PS/PA6 blends are processed in a batch mixer and in a twin screw extruder, respectively. In the case of the batch mixer, the amount of the in-situ formed graft copolymer denoted as PS-g-PA6-MAMA increases and the dispersed phase domain diameter (DDD) decreases drastically in the initial period of mixing. As the mixing further proceeds, the number of PA6 grafts of the PS-g-PA6-MAMA increases, resulting in a highly asymmetrical composition of the PS-g-PA6-MAMA which causes thermodynamic instablility at the interface. As a result, it could be pulled out of the interface to the PA6 phase and form micelles. Once it is pulled out of the interface, it will lose its compatibilizing efficiency and the dispersed phase domain diameter increases sharply. Mixing has a dual effect on the reactive compatibilization process. On the one hand, it promotes the interfacial reaction between the PS-TMI-MAMA and PA6. On the other hand, it aggravates the pull out of the resulting PS-g-PA6-MAMA from the interface. The use of small amounts of the reactive compatibilizer-tracer together with transient experiments for RTD allows assessing the evolutions of the reactive compatibilizer-tracer content (CC), the dispersed phase domain diameter (DDD), and the reacted reactive compatibilizer-tracer content (RCC) as a function of residence time in a twin-screw extruder. Based on the above results, the emulsification curve (DDD vs. CC), the RCC vs. CC curve and effective emulsification curve (DDD vs. RCC) are obtained. When the molar mass of the reactive compatibilizer-tracer is fixed, its compatibilizing efficiency increases with increasing TMI content within an appropriate range. When its TMI content is fixed, the interfacial reaction goes faster as the molar mass of the reactive compatibilizer-tracer decreases within a certain range, and the DDD becomes smaller in a shorter time. The effect of degree of fill fixed by the throughput Q/screw speed N ratio is more dominant than that of residence time. As the degree of fill increases, the interfacial reaction increases and the DDD decreases. As the angle of adjacent the kneading block increases, its distributive and dispersive mixing efficiencies increase, resulting in an increase in interfacial area generation and a decrease in DDD on the basis of the same amount of PS-g-PA6-MAMA. On the other hand, as the width of the kneading block increases, the distributive mixing efficiency increases and the dispersive mixing efficiency remains unchanged. Substitution of kneading blocks by reverse ones increase both the distributive and dispersive mixing efficiencies

Ce travail se focalise sur l’étude de cellules solaires organiques modèles basées sur le mélange de poly(3-hexylthiophène) (P3HT) et de l'ester méthylique de l'acide [6,6]-phényl C61 butyrique (PCBM). La corrélation entre la morphologie de la couche active, les paramètres de mises en œuvre et le rendement photovoltaïque a été soigneusement étudiée afin d’obtenir l’optimisation de l’efficacité de tels dispositifs. Une méthode originale pour contrôler la séparation de phases dans ces mélanges a été proposée et consiste à l'intégration de copolymères blocs comme additifs. Trois copolymères séquencés ont été utilisés en tant qu’agents de nanostructuration et/ou d'agents de nucléation. Il a notamment été montré que l'incorporation de P3HT-b-PI permet l'augmentation du nombre de cristallites de P3HT tout en limitant l’agglomération du PCBM. D'autre part, l'incorporation de P3HT-b-P4VP dans les mélanges de P3HT:PCBM a permis de contrôler l'orientation des cristallites de P3HT, améliorant par ce fait le transport de charge dans les dispositifs. / This work investigates organic solar cells made of a blend of polymeric materials based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) as model system. The correlation between the photovoltaic active layer morphology and the performance of the organic solar cell is thoroughly investigated. The chosen method for controlling phase separation in the polymeric blends is to incorporate block copolymers as additives. Three systematically selected block copolymers were used as nanostructuring and/or nucleating agents. Indeed, the incorporation of P3HT-b-PI induces the increase in the number of P3HT crystallites as well as suppresses the growth of PCBM aggregates. On the other hand, the incorporation of P3HT-b-P4VP into P3HT:PCBM decreases the crystallization of P3HT but increases its face-on orientation, a requirement for an enhanced charge transport in organic PV devices.

Ce travail se focalise sur l'étude de cellules solaires organiques modèles basées sur le mélange de poly(3-hexylthiophène) (P3HT) et de l'ester méthylique de l'acide [6,6]-phényl C61 butyrique (PCBM). La corrélation entre la morphologie de la couche active, les paramètres de mises en œuvre et le rendement photovoltaïque a été soigneusement étudiée afin d'obtenir l'optimisation de l'efficacité de tels dispositifs. Une méthode originale pour contrôler la séparation de phases dans ces mélanges a été proposée et consiste à l'intégration de copolymères blocs comme additifs. Trois copolymères séquencés ont été utilisés en tant qu'agents de nanostructuration et/ou d'agents de nucléation. Il a notamment été montré que l'incorporation de P3HT-b-PI permet l'augmentation du nombre de cristallites de P3HT tout en limitant l'agglomération du PCBM. D'autre part, l'incorporation de P3HT-b-P4VP dans les mélanges de P3HT:PCBM a permis de contrôler l'orientation des cristallites de P3HT, améliorant par ce fait le transport de charge dans les dispositifs.