De nos jours, l’utilisation des composites polymères fonctionnels s’accentue avec la progression de la recherche dans ce domaine. Les objectifs du projet de maîtrise se penchent sur deux problématiques qui touchent la détermination et l’amélioration de la résistivité électrique des mélanges polymériques. La première partie est axée sur les fonctionnalités de la fluorescence dans le domaine des polymères. Le noir de carbone provoque la diminution de l’intensité de fluorescence de l’anthracène jusqu’à l’éteindre complètement; pour un pourcentage aux alentours de 1% dans les films de polypropylène et jusqu’à 4x10-3 mol\L en solution de chloroforme. La deuxième partie a pour objectif d’améliorer la moulabilité des plaques bipolaireset et d’étudier l’effet de l’élastomère sur la résistivité électrique du mélange polyfluorure de vinylidène/polyéthylène téréphtalate/ noir de carbone /graphite. La résistivité électrique diminue en augmentant la concentration de noir de carbone et en ajoutant 5% à 7,5% de d’élastomère. / Nowadays, the use of composites increases with the progress of research. From this context, this work has been prepared for the master project. The project objectives are addressing two issues that affect the determination and the improvement of the electrical resistivity of polymer blends. The first part focuses on the features of the fluorescence in the field of polymers. The carbon black is acting as quencher; it causes the decrease of the fluorescence intensity of the anthracene to turn it off completely for a percentage of 1% in the films and 4x10-3 mol/L of chloroform solution. The second part studies the effect of a thermoplastic elastomer, on the electrical resistivity of the composite polyvinylidene fluoride /polyethylene terephthalate/ carbon black/graphite. It was observed that the electrical resistivity of the blends decreases with increasing carbon black concentration and the addition of 5% and 7.5% of the elastomer.

Cette thèse porte sur la compréhension de l'impact des modifications de surface des fibres de chanvre d’une part (250 µm - 1 mm et prétraitées par une solution de NaOH à 8%, afin de densifier le nombre de sites actifs à leur surface) et de cellulose (≤ 200 µm) d’autre part sur les propriétés de leurs composites à base de polyéthylène linéaire de densité moyenne (LMDPE). Deux approches de modifications différentes (par du polyéthylène greffé d’anhydride maléique (MAPE) en solution (chanvre et cellulose) et par polymérisation catalytique (chanvre)) encore peu connues sont utilisées. Les deux premières parties de ce travail de thèse ont porté sur la compréhension de l'impact de la modification des fibres de chanvre en solution sur les comportements morphologiques et mécaniques de leurs composites de LMDPE, ainsi que sur l'analyse qualitative et quantitative de leur interface (chanvre/LMDPE), avec une emphase sur la comparaison entre elles, l’utilisation directe du MAPE et la combinaison des deux (modification en solution et l’utilisation directe). La suite a porté sur l’évaluation de l'effet de la nature des fibres sur le comportement des composites en modifiant par le MAPE en solution, de la poudre cellulosique extraite du bois de peuplier faux-tremble. Enfin, l'ultime partie a porté sur la modification des fibres de chanvre par la technique de polymérisation catalytique à l'aide d'un catalyseur de type Ziegler/Natta. Pour les fibres (chanvre et cellulose), les résultats ont montré qu’elles ont été modifiées avec succès par le MAPE en solution ainsi que les fibres de chanvre par polymérisation catalytique, ce qui a permis l'amélioration de la qualité de l'interface fibres-matrice des composites correspondants. Les résultats des tests effectués ont montré que le traitement au NaOH contrôlait principalement le niveau de mouillabilité (contact physique) des fibres de chanvre par la matrice, tandis que l'utilisation d'un agent de couplage (direct ou en solution) contrôlait l'adhésion interfaciale (interactions chimiques). Par rapport aux composites ayant les fibres non modifiées, une augmentation de la contrainte maximale de 21% pour le composite aux fibres modifiées en solution, 24% après l'utilisation du MAPE directe et 31% lors du mélange des deux méthodes ont été observées. L'utilisation directe du MAPE a aussi amélioré significativement le module de Young des composites de 17%, suivie du mélange des deux voies avec 6% d’amélioration, alors que la modification en solution n'a pas affecté significativement cette propriété. L’utilisation des fibres cellulosiques a augmenté à la fois la contrainte du composite aux fibres non traitées et traitées avec une amélioration de 29% pour le composite aux fibres modifiées. Enfin, la modification des fibres de chanvre par polymérisation catalytique a permis une augmentation significative du module de Young et de la contrainte maximale des matériaux composites de 8 et 43% respectivement par rapport au composite de fibres non traitées. / This doctoral thesis focuses on understanding the effect of surface modifications of hemp fibers on the one hand (250 μm - 1 mm and 8% NaOH pretreated to increase the number of active sites on their surface) and cellulose (≤ 200 μm) on the other hand, on the properties of linear medium density polyethylene (LMDPE) based composites. Two different modification approaches (MAPE in a solution (hemp and cellulose) and catalytic polymerization (hemp)) not yet well known were investigated. The first two parts of this thesis focused on understanding the effect of solution modification of hemp fiber on LMDPE composite morphological and mechanical behavior, as well as a qualitative and quantitative analysis of their interface, with emphasis on the comparison between them, the direct use of MAPE and the combination of both methods (solution and direct modification). Then, the work focused on evaluating the effect of fiber type on the composite behavior. For this purpose, the cellulose powder (≤ 200 μm) extracted from wood (Aspen wood) was modified by MAPE in a xylene solution to improve the properties of LMDPE based composites. Finally, the last part focused on the modification of hemp fibers by catalytic polymerization. For the fibers (hemp and cellulose), the results showed that they were successfully modified by MAPE in solution, as well as by catalytic polymerization for hemp. This enhanced the quality of the corresponding fiber-matrix interface. The results showed that NaOH pre-treatment mainly controlled the wettability level (physical contact) of hemp fibers by the matrix, while the use of a coupling agent (directly or in solution) controlled the interfacial adhesion (chemical interactions). Compared to the composites with unmodified fibers, an increase of the tensile strength by 21% for solution modified fiber composite, 24% after the direct use of MAPE and 31% upon combining both methods, were observed. The direct use of MAPE also significantly improved the composite Young's modulus by about 17%, followed by the combination of both method with 6% improvement, while the solution modification did not significantly affect this property. The use of cellulosic fibers increased the tensile strength of both unmodified and modified fibers composite with a 29% improvement for the composite with modified fibers. Finally, hemp modification by catalytic polymerization resulted in a significant increase in Young's modulus and tensile strength of the corresponding composite by about 8% and 43% respectively, compared to the composite with untreated fibers.

Cette thèse présente une étude de deux matériaux qui ont connu au cours des dernières décennies une importance croissante dans l'industrie: les polymères mousses et les composites à base de fibres naturelles. L'accent a été mis sur les propriétés rhéologiques et macromoléculaires de ces matériaux lorsque soumis à un procédé de recyclage ou de dégradation. Des tests rhéologiques en cisaillement et en elongation ont révélé l'importance de la rhéologie élongationnelle pour les polymères et les composites. Ces propriétés ont grandement affectées la capacité à mousser du polymère et l'élasticité des composites. Aussi, des tests macromoléculaires ont conduits à la compréhension des processus de dégradation par une compétition entre la rupture et le branchement des chaînes macromoléculaires due à la présence des macro-radicaux. Il a été montré que le processus de recyclage a un effet plus significatif sur le poids moléculaire moyen en nombre que sur le poids moléculaire moyen en masse. Les fibres, ainsi que la présence de bulles dans la matrice polymère ont révélé un effet accru sur les propriétés des matériaux au cours du processus de recyclage par rapport à celles de la matrice polymère soumise aux mêmes conditions.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'enveloppe du bâtiment comprends un enchaînement de matériaux permettant de remplir les fonctions nécessaires pour assurer la durabilité et l'efficacité énergétique des bâtiments. Dans un climat froid comme le Canada, la concentration en vapeur d'eau à l'intérieur des bâtiments est plus élevée que dans l'environnement extérieur, ce qui entraîne une migration de l'humidité à travers le mur du bâtiment. Par conséquent, une membrane devrait être installée dans l'enveloppe du bâtiment pour contrôler la transmission de l'humidité. Les membranes conventionnelles sont principalement des matériaux fossiles qui peuvent avoir plusieurs impacts négatifs sur l'environnement. La présente thèse, divisée en trois axes, a été consacrée au développement de membranes entièrement biosourcées pour l'application de l'enveloppe du bâtiment à partir de biopolymères et de microfibres de cellulose (CMF). Pour améliorer la dispersibilité des CMF dans la matrice polymère, trois méthodes de modification ont été conduites. Le premier axe s'est concentré sur la modification hydrophile des CMF avec du polyéthylène glycol (PEG). Dans le deuxième axe, les CMF ont été modifiées avec de l'acide lactique (LA) via une réaction d'estérification, et l'impact environnemental des membranes développées a été étudié. Enfin, au cours du troisième axe, des membranes pare-vapeur à structure sandwich ont été développées à partir de biopolymères et de CMF modifiées par sol-gel, et leurs propriétés mécaniques et barrières ont été étudiées avant et après vieillissement accéléré. Dans le premier axe, les résultats ont montré que l'utilisation du compatibilisant PEG améliorait la dispersion des fibres de cellulose dans la matrice d'acide polylactique (PLA). L'analyse thermogravimétrique a montré que l'ajout de CMF modifiées augmentait la stabilité thermique des matériaux. De plus, la perméabilité à la vapeur d'eau des membranes à base de PLA développées a été améliorée en ajoutant des CMF modifiées dans la matrice de PLA. Au cours du deuxième axe, des membranes pare-vapeur ont été fabriquées à partir de PLA et de CMF modifiées avec du LA. Les résultats ont indiqué que l'adhérence interfaciale entre les fibres modifiées et le PLA s'est améliorée après la modification. Selon les résultats des tests de traction, les membranes à base de PLA développées ont montré des propriétés mécaniques et des performances de barrière supérieures à celles des composites PLA/CMF non traitées. De plus, l'impact environnemental du composite préparé a été étudié avec un outil d'évaluation de cycle de vie et les résultats ont démontré que l'incorporation de CMF dans le PLA réduisait le potentiel de réchauffement climatique des matériaux. Pour le troisième axe, une membrane à structure sandwich a été réalisée pour une application de pare-vapeur. Dans cette membrane, les couches superficielles sont des feuilles de polyhydroxyalcanoate (PHA) et la couche intermédiaire est un composite à base de PLA renforcé avec des CMF modifiées par sol-gel. Selon les résultats obtenus, les CMF modifiées présentaient un caractère hautement hydrophobe (valeur d'angle de contact d'environ 118 ˚) et elles étaient dispersées de manière homogène dans la matrice PLA. En ce qui concerne les propriétés mécaniques, l'incorporation de fibres dans les composites sandwich a augmenté les valeurs du module d'Young et de résistance à la traction des membranes. La perméabilité à la vapeur d'eau des composites sandwich a augmenté avec l'ajout de fibres de cellulose. Cependant, les composites renforcés avec les CMF modifiées ont montré des performances de barrière supérieures à celles des CMF non traitées. De plus, un test de durabilité a été réalisé pour déterminer l'effet du vieillissement accéléré sur les propriétés des composites sandwich. Les résultats ont démontré que les propriétés mécaniques et barrières des composites incorporés avec des CMF non traitées ont diminué après vieillissement accéléré, alors que les composites renforcés avec des CMF modifiées par sol-gel ont connu le moins de changement. / The building envelope involves a sequence of materials to fulfill the functions necessary for good sustainability and energy efficiency of buildings. In a cold climate like Canada, the water vapor concentration inside buildings is higher than in the exterior environment, leading to moisture flow through the building wall. Therefore, a membrane should be installed in the building envelope to control the transmission of moisture. Conventional membranes are mainly fossil-based materials that can have several negative impacts on the environment. The present thesis, divided into three axes, was dedicated to the development of fully bio-based membranes for building envelope application from biopolymers and cellulose microfibers (CMF). To improve the dispersibility of CMF in the polymer matrix, three modification methods were conducted. The first axis was focused on the hydrophilic modification of CMF with the polyethylene glycol (PEG) compatibilizer. In the second axis, CMF was modified with lactic acid (LA) via an esterification reaction, and the environmental impact of developed membranes was studied. Finally, during the third axis, sandwich-structured vapor barrier membranes were developed from biopolymers and sol-gel modified CMF, and their mechanical and barrier properties were investigated before and after artificial aging. In the first axis, the results showed that the utilization of PEG compatibilizer improved the dispersion of cellulose fibers in the PLA matrix. The thermogravimetric analysis illustrated that the addition of modified CMF increased the thermal stability of materials. Moreover, the water vapor permeability of developed PLA-based membranes was enhanced by adding modified CMF into the PLA matrix. During the second axis, vapor barrier membranes were fabricated from PLA and LA-modified CMF. The results indicated that the interfacial adhesion between modified fibers and PLA improved after the modification. According to the tensile test results, the developed PLA-based membranes showed superior mechanical properties and barrier performance than the PLA/untreated CMF composites. Additionally, the environmental impact of the prepared composite was studied by the life cycle assessment tool, and results demonstrated that the incorporation of CMF into PLA reduced the global warming potential of materials. For the third axis, a sandwich-structured membrane was produced for the vapor barrier application. In this membrane, the surface layers are sheets of polyhydroxyalkanoate (PHA), and the interlayers are PLA-based composites reinforced with sol-gel modified CMF. According to the obtained results, the modified CMF exhibited a highly hydrophobic characteristic (contact angel value of about 118 ˚), and they were homogeneously dispersed in the PLA matrix. Regarding the mechanical properties, the incorporation of bio-fillers into sandwich composites increased the values of tensile modulus and strength of membranes. The water vapor permeability of sandwich composites increased with the addition of cellulose fibers; however, the composites reinforced with the modified CMF showed superior barrier performance than that of untreated CMF. In addition, a durability test was performed to determine the effect of artificial aging on the properties of sandwich composites. The results demonstrated that the mechanical and barrier properties of composites incorporated with untreated CMF decreased after the artificial aging, whereas the composites reinforced with the sol-gel modified CMF experienced the slightest change.

Les piles à combustible sont considérées comme l'une des sources d'énergie du futur. En effet, pour répondre aux enjeux économiques et aux défis écologiques, les chercheurs considèrent que ce type de piles serait une sérieuse alternative aux sources énergétiques actuelles et ce dans un avenir proche. Les piles à combustibles trouvent déjà place dans plusieurs applications industrielles notamment les transports (surtout automobile mais aussi maritime et aérien), les téléphones et ordinateurs portables et la production d'électricité. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est considérée comme la plus prometteuse. Elle est constituée de plusieurs unités consommant de l'hydrogène et de l'air pour produire de l'électricité en continu et ne rejeter que de la vapeur d'eau. Propre et performante, elle présente cependant l'inconvénient de coûter cher. Un coût élevé dû aux matériaux et procédés utilisés dans sa fabrication. Pour palier à ce problème, la recherche s'est orientée vers deux voies : le développement de nouveaux matériaux peu onéreux et l'innovation dans la mise en oeuvre. Le but du présent travail est le développement d'un matériau nanocomposite à base de polymères efficace pour la fabrication d'une composante importante de la PEMFC : les plaques bipolaires (BPP). Ces dernières constituent les extrémités de chaque unité de la pile et assurent le passage des électrons entres les unités adjacentes ainsi qu'une distribution homogène de l'hydrogène ou de l'oxygène sur toute la surface des électrodes de chaque unité. Opérant dans des conditions thermiques et mécaniques assez rudes, les BPP doivent répondre à des caractéristiques électriques et mécaniques très élevées. Dans la littérature, plusieurs matériaux ont été explorés pour fabriquer les BPP : le graphite et les métaux (inoxydables ou revêtus) étaient les plus étudiés mais pour des problèmes de coût ou de performances, ces deux alternatives sont de moins en mois utilisées. Aujourd'hui, l'option qui suscite l'intérêt des chercheurs est celle des matériaux polymères. Les procédés de mise en oeuvre ont été aussi largement étudiés, les plus abordés sont l'extrusion et le moulage par compression. Dans cette étude, le développement d'un matériau composite pour la fabrication des BPP a reposé sur une matrice composée d'un mélange de deux polymères : le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyethylene téréphtalate (PET) associés à un oligomère : le cyclo-butylène téréphtalate (c-BT). L'ajout du c-BT représente l'originalité de ce travail et a pour but de profiter de ses différentes propriétés notamment la faible viscosité. Il se polymerise rapidement en poly-butylène téréphtalate (PBT) sans donner lieu à de produits secondaires. Des charges ont aussi été ajoutées afin d'améliorer la conductivité électrique et la viscosité. Ainsi, du noir de carbone à haute surface spécifique (CB) a été systématiquement ajouté en combinaison avec d'autres charges : le graphite synthétique en forme de feuillets (GR) et les nanotubes multi-feuillets de carbone (MWCNT). Ce choix de matériaux a été effectué suite à des travaux précédents réalisés par le roupe de recherche du professeur Mighri. Un mélangeur interne a permis de mélanger les polymères et les charges (déjà mélangés à sec) pour donner un matériau composite homogène. Une presse à compression a été ensuite utilisée pour mouler la plaque et graver les chemins de circulation des gaz à l'aide d'un moule spécifique. Plusieurs propriétés des matériaux composites produits ont été caractérisées. Il s'agit principalement de la conductivité électrique, de la viscosité complexe ainsi que de la morphologie des matériaux nanocomposites développés. Les tests menés ont montré que l'ajout du c-BT dans les mélanges polymères ne permettait pas de diminuer les résistivités des composites obtenus alors qu'il améliorait le comportement visqueux ce qui se traduisit dans la pratique par une facilité relative de la mise en oeuvre. Cependant, ce travail a rencontré une contrainte majeure lors de la fabrication des plaques bipolaires et qui pourrait être due à la géométrie du moule spécifique. En effet, les plaques obtenues ont été toutes cassantes.