Glass-ceramics are of growing interest due to their enhanced properties compared to the base glasses. More specifically, the control of microstructures is a major challenge as the properties of glass-ceramics are the direct consequences of microstructures. Microstructures can be modified by forming specific crystal phases or by using a prior amorphous phase separation before crystallization. The PhD thesis objectives are to demonstrate that the properties of silicate glasses can be enhanced by controlling their microstructure genesis with composition and thermal process parameters. More specifically, two systems were studied and compared: the BaO-TiO2-SiO2 system and the soda-lime silica Na2O-CaO-SiO2 used industrially. Both systems exhibit a large zone of immiscibility allowing the study of the influence of phase separation on crystallization.<p>The first system BaO-TiO2-SiO2 has gathered interest from the interesting properties of fresnoite (Ba2TiSi2O8): piezo and pyroelectricity, second harmonic generation and blue/white photoluminescence. Many studies on the stoichiometric composition were conducted to understand and improve those promising properties. However, it was recently suggested that the photoluminescence can be improved with composition exhibiting phase separation. This indicates that the photoluminescence intensity can be improved through a microstructural control. The possible role of a prior amorphous phase separation on the subsequent crystallization has been however the topic of vigorous debates over the last decades and has not yet been clarified, especially regarding the role of the interfaces created by the phase separation. In this PhD, the effect of phase separation on fresnoite crystallization was studied. This had to pass through the calculation of the liquid-liquid immiscibility in the phase diagram in order to select suitable compositions to compare in a systematic study. The systematic study concludes to a surface crystallization mechanism for all non- stoichiometric compositions and shows no influence between amorphous droplets and matrix crystallization. This study was also completed with the investigation of the effect of composition (i.e. SiO2-excess), annealing temperature and prior heat treatment, i.e. heating rate, cooling rate or a prior isothermal step before annealing. It is shown that specific microstructures are obtained depending on the process parameters. Finally, selected compositions and heat treatment show how photoluminescence intensity can be improved by a microstructural control. The highest intensity is obtained with a high crystallization fraction and a maximization of the number of interfaces.<p>The results obtained in the study of the BaO-TiO2-SiO2 system are extended to the soda-lime-silica system in order to study the effect of phase separation on crystallization. It is shown that cristobalite forma- tion from the surface cannot be avoided and that the involved composition shift inhibits phase separation. It is consequently difficult to observe an interplay. Those studies lead to a general discussion about the criteria allowing to observe an interplay between phase separation and crystallization in oxide glasses. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans l'industrie alimentaire, les procédés de production sont souvent mis au point de manière empirique, selon des règles de bonnes pratiques. Ces méthodes présentent des lacunes, notamment au niveau de la régularité de la production. Pour modéliser et optimiser ces procédés, il est nécessaire de déterminer les propriétés physico-chimiques du produit. Nous cherchons à optimiser l'étape de tempérage du chocolat. À cette fin nous étudions la rhéologie et la cristallisation du chocolat.<p>Nous réalisons des mesures de rhéologie du chocolat suivant la méthode standard. Les résultats de ces mesures nous permettent de caractériser le comportement rhéofluidifiant de notre chocolat. Pour évaluer l'effet de différents paramètres opératoires sur la rhéologie du chocolat, nous faisons des mesures à différentes températures et pour différentes quantités de beurre de cacao. Suite à une analyse statistique des résultats, nous avons déterminé les paramètres d'une loi en puissance décrivant le<p>comportement rhéologique du chocolat. Pour approfondir la compréhension des phénomènes régissant la rhéologie du chocolat, nous avons également évalué l'influence de chaque ingrédient du chocolat sur la rhéologie du beurre de cacao. Nous montrons qu'il existe des interactions entre les particules de sucres qui sont probablement responsables du comportement rhéofluidifiant du chocolat. Nous montrons également que la présence de l'émulsifiant est indispensable pour que le chocolat puisse s'écouler.<p>La cristallisation du chocolat est analysée par calorimétrie différentielle. Nous développons un modèle de cristallisation en considérant le transfert de chaleur comme phénomène limitant. Ce modèle nous permet de déterminer les différentes formes cristallines présentes dans un échantillon de chocolat. A l'aide du modèle nous obtenons également une évaluation de la vitesse de cristallisation des différentes formes cristallines considérées. C'est un paramètre essentiel pour le dimensionnement de procédé.<p>L'étude couplée de la rhéologie et de la cristallisation nous montre que les formes cristallines les plus stables sont générées par les contraintes de cisaillement les plus élevées.<p>Enfin, dans le cadre d'applications industrielles, nous avons étudié le phénomène<p>de blanchiment du chocolat. Nous constatons que les variations de température accélèrent le phénomène de transformations polymorphiques solide-solide. Nous avons également étudié le procédé de production de la ganache. Nous avons mis en évidence que le transfert de chaleur est le phénomène déterminant de ce procédé. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La cristallisation est influencée par plusieurs paramètres tels que la sursaturation, la température, le milieu et l’hydrodynamique. Pour cela le criblage rapide des conditions de cristallisation est souvent exigé lors de l’étude de la cristallisation d’une molécule. Cependant lorsqu’une faible quantité de matière est disponible, un outil expérimental adapté est indispensable.Dans notre cas, le système microfluidique dédié à la cristallisation est basé sur la génération des gouttes de volume nanométrique dans lesquels la cristallisation peut avoir lieu de façon indépendante. Des gouttes monodispersées en taille et en conditions expérimentales nous permettent de réaliser des études statistiques pour répondre à la stochasticité du phénomène de nucléation, ceci tout en consommant peu de matière.Le but de cette thèse est de créer un montage microfluidique universel, qui soit compatible à tout solvant et toute molécule. Pour cela, nous utilisons des jonctions et des capillaires microfluidiques simples résistants à de nombreux solvants. Nous cherchons d'abord à contrôler les écoulements microfluidiques et à réduire les volumes mis en jeu. Nous avons étudié les régimes de génération des gouttes et la loi d'échelle de la taille des gouttes. Dans le cadre de l’étude de la cristallisation, nous montrons la faisabilité de notre dispositif pour l’étude de la cristallisation en variant la viscosité avec l’exemple de l’urate oxydase recombinante ou rasburicase que nous avons cristallisée dans une solution aqueuse de PEG. Pour finir, nous avons intégré un module de caractérisation en ligne dans notre système microfluidique afin d'analyser la composition chimique de chaque goutte. / Crystallization is influenced by several parameters such as supersaturation, temperature, environment, and hydrodynamics. Thus, a rapid screening of crystallization conditions is often required during the study of the crystallization of a molecule. But when a small amount of material is available, a suitable experimental tool is essential. In our case, the microfluidic system dedicated to crystallization is based on the generation of nanoliter droplets in which crystallization can occur independently. Forming hundreds of droplets with monodisperse sizes and experimental conditions, we can make a large number of experiments per condition for statistical studies to meet the stochasticity of the phenomenon of nucleation while consuming little material. Our goal is to create a universal microfluidic assembly which is compatible with all solvents and molecules. Thus, we are interested in simple microfluidic junctions and tubings which is resistant to many solvents. From such systems, we have first characterized the hydrodynamic properties of the set-up: we sought to control microfluidic flow and reduce the volumes put-in. We studied the droplet generation regimes and the scaling law of drop size and frequency. For crystallization study of biomolecule, we have validated our microfluidic set-up for crystallization studies in a viscous media, on the recombinant urate oxidase or the rasburicase in an aqueous solution of PEG. Finally, we integrated a module for on-line characterization of each droplet’s chemical composition.

La thèse se déroule dans le cadre du projet ISOCEL qui vise à développer une nouvelle génération de cellules photovoltaïques. Plus précisément, ce travail se focalise sur la face arrière de ces panneaux. Il est primordiale que les capacités de protection aux intempéries de ces films, composés d’un mélange de poly(fluorure de vinylidène) (PVDF), de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) et de dioxyde de titane (TiO2), soient assurés tout au long de la vie de la cellule. Ce travail de thèse a donc été de comprendre l’influence de la mise en œuvre de ces films sur leurs structures cristallines qui sont responsable de leur tenue mécanique, mais également de vérifier leurs évolutions pendant leurs vieillissements. Les films de PVDF/PMMA/TiO2 profitent du caractère cristallin du PVDF, et peuvent cristalliser en au moins quatre phases cristallines. Ils sont extrudés par soufflage de gaine, l’ensemble de la thèse portera donc sur cette technique d’extrusion. Une extrudeuse pilote a été utilisée pour réaliser les films de l’étude. Une partie de la thèse portera sur la caractérisation des différentes phases cristallines présentent dans les échantillons par spectroscopie Raman principalement, mais également par spectroscopie Infrarouge. Dans un deuxième temps, les méthodes d’analyses développées seront utilisées pour caractériser les films produits sous différentes conditions de soufflage de gaine, et les différences observées seront utilisées pour comprendre l’impact du procédé sur la cristallisation des films. Ces caractérisations passeront par des acquisitions de spectres Raman off line, at line et on line. Finalement, le vieillissement des films et l’impact des recuits sur leurs structures seront également approfondis, afin d’être capable de comprendre l’évolution des propriétés de ces films tout au long de la vie de la cellule photovoltaïque / This work is a part of the French project ISOCEL, which aims to build up a new generation of photovoltaic cell. More precisely, this study focuses on the backsheet of these panels, in order to ensure the weatherproof capacity of these films all along the lifetime of the cell. The main aim of this work is to understand the impact of the process conditions on the film crystalline structure. Indeed, this structure will govern the protective properties of the final backsheet. These films are made of a poly(vinylidene fluoride), poly(methyl methacrylate) and titanium dioxide (PVDF/PMMA/TiO2) blend, and created by a blown films extrusion process. PVDF has a semicrystalline structure which can take several forms depending on the manufacturing condition. A whole part of this work is devoted to the characterization of the film structure, especially with the Raman spectroscopy, which is the focus of the study. Different methods of spectral analysis are developed, such as the estimation of the crystalline phase ratio and spectra fitting. On the other hand, a pilot device are used to produce films with different process conditions. These films are characterized and the difference of structure are linked to the process conditions used. By this way, we show that the cooling condition have a strong influence on the film crystallization, notably on the form which can crystallize. On line Raman spectroscopy is used to characterize the film directly on the extruder, and thus understand the impact of the cooling condition

Récemment, il y a une demande accrue pour des cristaux de bicarbonate de sodium de propriétés d'usage spécifiques. Dans l'étude présentée, la réaction de cristallisation du bicarbonate de sodium est abordée et s'effectue dans un milieu triphasique dans lequel interviennent de nombreux phénomènes tels que le transfert de matière, la nucléation et la croissance cristalline. L'objectif de ce travail est d'étudier l'impact des paramètres opératoires, des additifs et de la technologie du réacteur sur la cristallisation du bicarbonate de sodium afin d'obtenir des cristaux avec une taille importante et une masse volumique apparente non tassée élevée. Les essais réalisés dans un réacteur ouvert de type MSMPR (Mixed Suspension Mixed Product Removal) ont permis d'optimiser les conditions opératoires du procédé et ont montré que l'ajout de calcium par le biais d'une solution de chlorure de calcium dans le milieu réactionnel améliore sensiblement la morphologie des cristaux, réduit la vitesse de nucléation tout en influençant légèrement la vitesse de croissance cristalline. Lorsque du polystyrène sulfonate de sodium (NaPSS) est ajouté au chlorure de calcium, sont obtenus des cristaux encore plus compacts avec des surfaces plus lisses et des arêtes marquées. A contrario, l'utilisation d'additifs chelatant le calcium comme le citrate de calcium dégrade la qualité des cristaux de bicarbonate de sodium et est donc proscrite pour une utilisation industrielle car les étapes de filtration et de séchage sont plus difficiles. Enfin, le passage d'un réacteur MSMPR à un réacteur à lit fluidisé a conduit, dans des conditions opératoires identiques, à une amélioration notable de la qualité du produit fini en produisant des cristaux avec une morphologie relativement sphérique et une taille importante / Recently, there is an increased demand for sodium bicarbonate crystals with specific properties. In the present study, the crystallization reaction of sodium bicarbonate is performed in a three-phase medium in which many phenomena such as mass transfer, nucleation and crystal growth occurred. The objective of this work is to study the impact of operating parameters, additives and reactor technology on the crystallization of sodium bicarbonate in order to obtain crystals with important size and high bulk density. The experiments carried out in a MSMPR (Mixed Suspension Mixed Product Removal) reactor have shown that the addition of calcium through a calcium chloride solution in the reaction mixture improves the crystal morphology, reduces the nucleation rate and weakly influences the crystal growth rate. When a mixture of sodium polystyrene sulfonate (NaPSS) and calcium chloride is used, more compact crystals with smoother surfaces and marked edges are obtained. Conversely, the use of calcium chelating additives such as calcium citrate affects the quality of sodium bicarbonate crystals and thus is prohibited for industrial use because the filtration and drying steps are much more difficult. Finally, the transposition from a MSMPR reactor to a fluidized bed reactor allows, under the same operating conditions, a significant improvement of the solid quality by producing big spheroidal particles

La conception de matériaux aux propriétés mécaniques caractéristiques de polymères à la température d'usage, mais capables de s'écouler comme des liquides simples lorsqu'ils sont chauffés demeure l'un des défis les plus importants de la chimie supramoléculaire. La combinaison de ces propriétés antagonistes est hautement souhaitable afin d'assurer au matériau durabilité, malléabilité, et recyclabilité. Ici, nous explorons une nouvelle stratégie basée sur des réactions de polycondensation, dans le but de concevoir des matériaux polymères supramoléculaires avec une contrainte à la rupture supérieure à 10 MPa et une viscosité en fondu inférieur à 1 Pa.s. Nous décrivons notamment la synthèse et les propriétés rhéologiques et mécaniques (essais de traction uniaxiale) de polymères supramoléculaires basés sur une architecture de type polyamide multibloc. La flexibilité des réactions de polycondensation permet de contrôler la distribution de la taille des chaînes. L'établissement de liaisons hydrogène et la cristallisation des groupements associatifs aux extrémités de chaînes et des segments cristallisables en milieux de chaînes permettent d'atteindre les propriétés ciblées. Une seconde famille de polymères supramoléculaires, basée sur un squelette de PMMA, a été synthétisée par polymérisation radicalaire contrôlée (ATRP ou RAFT). Cette dernière permet un contrôle précis des masses moléculaires, et la modification chimique des oligomères post-polymérisation permet d'obtenir des chaînes de PMMA supramoléculaires terminées aux deux extrémités par des groupements associatifs. Les propriétés thermiques, mécaniques et rhéologiques de ce polymère supramoléculaire sont décrites. / Design of materials with polymer-like properties at service temperature but able to flow like simple liquids when heated remains one of the important challenges of supramolecular chemistry. Combining these antagonistic properties is highly desirable to provide durability, processability, and recyclability of materials. Here, we explore a new strategy based on polycondensation reactions to design supramolecular polymer materials with stress at break above 10 MPa and melt viscosity lower than 1 Pa·s. We describe the synthesis and rheological and mechanical properties (uniaxial tensile tests) of supramolecular polymers based on a multiblock polyamide architecture. The flexibility of polycondensation reactions made it possible to control the molecular size distribution, the strength of hydrogen bonds, and the crystallization of middle and end groups and to achieve targeted properties. A second family of supramolecular polymers, based on a PMMA backbone, was designed and synthesized by ATRP or RAFT polymerization. Controlled radical polymerization enabled precise control over molecular weight and chemical modification of the oligomers allowed us to obtain supramolecular PMMA terminated at both ends by associative groups. Thermal, mechanical and rheological properties of this supramolecular polymer are described.

L’effet du confinement de la phase amorphe lors de la cristallisation du poly(éthylène téréphtalate) et du poly(acide lactique) a été étudié à multi-échelles. Ces polymères peuvent exister sous forme amorphe et semi-cristalline. La relation entre la microstructure et les propriétés viscoélastiques des matériaux a été mise en évidence par les expériences en diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et aux grands angles (WAXS), en Calorimétrie différentielle à balayage (DSC), en traction, en analyseur mécanique dynamique (DMA) et en nanoindentation. La différence de la structure moléculaire du PET et du PLA est essentielle pour leur comportement physique et mécanique. Au cours de la cristallisation, une autre phase amorphe dont le comportement mécanique est plus rigide que la phase amorphe traditionnelle a été formée. La DSC permet de quantifier la dépendance de la fraction de cette phase amorphe rigide en fonction du taux de cristallinité. La technique de diffusion des rayons X permet d’étudier l’évolution de la microstructure (dimension de cristallites, épaisseur des phases) lors de la cristallisation. Le comportement mécanique des polymères a été étudié à différentes échelles. Les essais de DMA permettent non seulement d’étudier le comportement viscoélastique macroscopique des polymères mais aussi de quantifier les propriétés viscoélastiques de chaque phase amorphe via leur température de transition vitreuse. Cela a été utilisé comme données d’entrée dans des modèles micromécaniques. La nanoindentation permet de mesurer les propriétés mécaniques du matériau à son extrême surface. Dans la dernière partie, une approche des propriétés mécaniques macroscopiques des matériaux a été réalisée par des modèles micromécaniques d’homogénéisation en se basant sur la morphologie matrice-inclusion. / The signature of confinement effect onto the mechanical properties of the amorphous phase during crystallization of two polymers, Polyethylene terephthalate (PET) and poly(lactic acid) (PLA) was investigated at multi-scale. The two polymers have the advantage of being either in bulk amorphous or in semi-crystalline state. The relation between the microstructure and the viscoelastic properties of materials is put light on by the experiments of X-Ray Scattering, differential scanning calorimetry (DSC), by tensile strength tests, by dynamic mechanical analysis (DMA) and by nanoindentation. The difference in molecular structure of PET and PLA is essential for their physical and mechanical behavior. During crystallization, the second amorphous phase whose mechanical behavior is more rigid than conventional amorphous phase was formed. DSC is used to quantify the rigid amorphous fraction dependence on the crystallinity. The technique of X-ray scattering is used to study the evolution of the microstructure (crystallite size, lamella thickness) during crystallization. The mechanical behavior of materials was studied at different scale. DMA tests allow not only to study the macroscopic behavior of viscoelastic polymers but also to quantify the viscoelastic properties of each amorphous phase through their glass transition temperature. This was used as input data in micromechanical models. Nanoindentation is used to measure the mechanical properties of the materials at the extreme surface. In the last part, the homogenization micromechanical modeling was performed based on the matrix - inclusion morphology in order to predict the macroscopic mechanical behavior laws of materials.

Ce travail de thèse de doctorat a eu pour objectif d’étudier la cristallisation d’un principe actif pharmaceutique, le sulfathiazole, par procédé Supercritique Anti-Solvant. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l’influence des conditions opératoires sur les caractéristiques des cristaux générés en termes de taille, nature polymorphique et faciès. Lors d’une campagne expérimentale de cristallisation, nous avons fait varier la température (313 K et 328 K), la pression (10 et 20 MPa), le rapport molaire solvant/CO2 (2,5 à 15%) et la concentration massique de la solution organique (0,5 à 1,8%). La durée de l’étape de cristallisation a été aussi variée de 4, 5 et 8 h. Nous avons également étudié au préalable les équilibres de phases et mesuré les solubilités du principe actif dans la phase fluide afin de connaître l’état de sursaturation dans le milieu de cristallisation pour toutes les conditions étudiées. Les résultats ont montré que dans certaines conditions la forme polymorphique IV (la plus stable à pression ambiante) est obtenue pure alors que dans d’autres conditions elle est obtenue en mélange avec la forme instable I. Nous avons par ailleurs observé une variation des caractéristiques des cristaux en fonction de la durée de l’étape de cristallisation. Dans les conditions correspondant à de faibles sursaturations et à des phénomènes de transfert limités, la forme IV est initialement obtenue alors que la formation de la forme I est ensuite favorisée au cours du temps. Ces résultats démontrent clairement l’importance du contrôle de la durée de l’étape de cristallisation par le procédé SAS. / This Ph.D. work aimed to study the crystallization of an active pharmaceutical ingredient, sulfathiazole, by Supercritical Anti-Solvent process. We have particularly focused on the influence of the operating conditions on the characteristics of the formed crystals in terms of size, polymorphism concerns more than 80% of active pharmaceutical ingredients and the formation of an undesired polymorphic form can have dramatic consequences on the drug bioavailability or on its stability over time. During an experimental crystallization campaign, we varied the temperature (313 K and 328 K), the pressure (10 and 20 MPa), the solvent / CO2 molar ratio (2.5 to 15%) and the mass concentration of the organic solution (0.5 to 1.8%). The duration of the crystallization step was also varied to 4, 5 and 8 hours. We have also studied the phase equilibria before hand and measured the solubilities of the active principle in the fluid phase in order to evaluate the supersaturation level in the crystallization medium for all the studied conditions.The results showed that under certain conditions, the polymorphic form IV (the most stable at ambient pressure) is obtained pure whereas under other conditions, it is obtained in mixture with the unstable form I. We also observed a variation of the crystal characteristics depending on the duration of the crystallization step. For conditions corresponding to low supersaturations and limited transfer phenomena, form IV is initially obtained whereas the formation of form I is favored over time. These results clearly demonstrate the importance of controlling the duration of the SAS crystallization step.

Le besoin d’accès aux énantiomères purs a largement augmenté depuis les années 90. Les procédés ayant recours à la cristallisation sont souvent moins cher mais tout aussi efficace que les autres procédés. Deux études ont été réalisées dans cette thèse : -La première concerne l’amélioration d’un procédé déjà établi. En effet, l’efficacité de la Cristallisation Préférentielle (PC) de conglomérat est connue. Néanmoins, son application à des solutions solides images l’une de l’autre dans un miroir est plus complexe. Est présenté le premier exemple de PC réalisée sur un système à solution solide complète démixant à basse température : le sel d’hydrogénomaléate de baclofène (un API). De plus, il s’agit de la première preuve expérimentale d’un tel équilibre de phases et de PC de solutions solides dont les résultats sont comparables à la cristallisation préférentielle traditionnelle. -Le second sujet ne traite pas directement de la séparation d’énantiomère mais de prometteuses discriminations chirales ont été obtenues. Le diagramme d’équilibre de phases entre les compositions racémiques de deux couples d’atropoisomères a été étudié. Deux résultats en lien avec la discrimination chirale ont été établis : le premier est la possibilité de déracémiser un composé A initialement non-discriminé (composé racémique) à l’intérieur de la matrice d’un composé B discriminé (conglomérat). Le second est l’observation d’un nouveau type de chiralité : Chiralité Induite par Dissymmétrie de Distribution (CIDD). / The need for access to pure enantiomers has largely increased since the nineties. Processes using crystallization are often cheaper and as efficient as other processes. Thus, the improvement of existing techniques and the need for new processes are attractive for scientist and industry. Two studies have been performed in this thesis:The first one concerns the improvement of an existing technique. Indeed, conglomerate Preferential Crystallization efficiency is well known. Nonetheless, its application to mirror image partial solid solutions is more difficult. Here is presented the first example of PC performed on a complete solid solution at high temperature which shows a solid solutions demixion at low temperature: the baclofen hydrogenomaleate salt (an API). Moreover, it is the first experimental observation of such phase equilibria and PC of mirror image solid solutions whose results are comparable to classical PC. -The second topic did not involve directly enantiomer separation but promising chiral discriminations have been obtained. The phase diagram between the racemic composition of two couples of atropisomers has been defined. Beside multiples equilibria observed, two results concerning the chiral discrimination can be highlighted: the first one is the possibility to deracemize a compound A initially not discriminated (racemic compound) inside the matrix of a compound B (which forms a stable conglomerate). The second is the observation of a new kind of chirality: Chirality Induced by Dissymmetric Distribution (CIDD).