De par ses propriétés thermomécaniques proches des polyoléfines, le poly(butylene succinate)est l’un des polymères biosourcés les plus attractifs pour la substitution de matériaux pétro-sourcés pour des applications automobiles. L’incorporation de fibres de chanvre, via une étape d’extrusion,renforce la matrice et permet de tendre vers les propriétés cibles exigées par les cahiers des charges automobiles pour les applications visées dans cette étude. Afin d’améliorer les propriétés thermomécaniques de ce matériau, trois sujets ont été développés dans cette étude :1- Qualification de l’interface PBS / fibres de chanvre : via une nouvelle méthodologie basée sur l’analyse de la contribution effective des fibres sur la contrainte (CFC) durant une sollicitation mécanique, il est montré que les liaisons hydrogène formées entre le PBSet la fibre influent fortement sur les mécanismes de transfert de charge. Couplée au modèle de Bowyer et Bader, cette approche permet d’identifier les mécanismes d’endommagement de l’interface et de quantifier la contrainte interfaciale (τchanvre/PBS=25,2MPa).2 - Signification du ratio L/D d’une fibre naturelle : au cours des procédés de mises en oeuvre (extrusion et injection), la morphologie d’une fibre végétale évolue et apparait complexe due à la structure branchée engendrée par la fibrillation. A partir d’une nouvelleméthodologie d’analyse d’images spécifiquement développée, il est montré que la fibrillation contribue au renforcement de la matrice au même titre que le défibrage.3 -Synthèse de PBS-co-amides : afin de couvrir les contraintes thermomécaniques exigées,l’introduction de groupements amide dans le PBS est étudiée pour augmenter le point de fusion du polymère. Afin de contourner notamment la réaction parasite de cyclisation entre l’acide succinique et les amines, une stratégie de synthèses multi-étapes de monomères et de poly(ester-amide) est étudiée permettant d’obtenir un PEA de faible masse molaire dont le point de fusion atteint 172°C. / With its thermomechanical properties closed to polyolefins, poly(butylene succinate) is one ofthe most interesting bio-based polymers for substitution of oil-based polymers for automotive applications. Addition of hemp fibers, through an extrusion process step, reinforces matrix and enables to fit with the targeted technical profile required by automotive specifications. In order to improve thermomechanical properties, three main topics have been investigated in this study:1 - PBS / hemp fibers interface qualification: through a new methodology based on the analysis of the effective fiber contribution on stress during mechanical solicitation, it was shown that hydrogen bonds between PBS and fibers play a major role in load transfer.Combined with the Bowyer and Bader model, this approach enables to highlight interface damages and to determine the interfacial shear strength (τhemp/PBS=25,2 MPa)2 - Meaning of natural fiber L/D ratio: during processes (extrusion and injection), vegetal fiber morphology changes and becomes complex due to the fibrillated structure. With anew developed image analysis tool, it was shown that fibrillation contributes to matrix einforcement as well as defibering.3 - Synthesis of PBS-co-amide: to reach the targeted thermomechanical performances,introduction of amide groups into PBS was studied to increase the melting point. In order to avoid the cyclic imide formation between succinic acid and amines, synthesis of monomers and poly(ester amide) were studied through a multistep strategy, enabling to get low molecular weight PEA with melting temperature around 172°C.

Face à la nécessité de trouver des alternatives aux ressources d’origine fossile et de limiter les impacts environnementaux de l’activité humaine, un important effort de recherche est actuellement en cours pour favoriser et accroître l’utilisation de produits issus de ressources renouvelables, comme les fibres végétales, dans la conception de pièces industrielles. Toutefois, de nombreux verrous scientifiques et technologiques restent encore à lever avant de pouvoir valoriser de façon fiable et durable ces fibres dans un contexte technique exigeant tel que celui du secteur l’automobile. Ainsi, l’amélioration de la qualité de l’interface fibres végétales / matrice polymère est un enjeu de taille car elle constitue une condition permettant de satisfaire les performances mécaniques requises telles que la rigidité, la résistance ou la tenue au choc. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse a été le développement de fibres courtes de chanvre à propriétés de surface maitrisées et ciblées. Des solutions de fonctionnalisation de surface applicables par des procédés industrialisables ont été développées dans le but d’incorporer ces fibres dans une matrice polypropylène (PP). Les fibres de chanvre ont ainsi été traitées selon différentes stratégies de fonctionnalisation incluant l’utilisant du polypropylène greffé anhydride maléique (PP-g-MA), d’organosilanes, d’un acide aminé, d’isocyanates et d’un polyuréthane. Deux procédés de traitement à faible impact environnemental ont été comparés : le sprayage direct des fibres par les molécules de fonctionnalisation et l’incorporation de ces molécules par extrusion réactive. Les traitements en extrusion réactive se sont montrés plus efficaces que ceux réalisés par sprayage dans le cas du PP-g-MA. Trois voies de fonctionnalisation se sont avérées pertinentes au regard des propriétés mécaniques visées  : i) l’utilisation de PP-g-MA seul en extrusion réactive ; ii) la fonctionnalisation par sprayage d’un aminosilane ou d’un acide aminé couplée à l’incorporation du PP-g-MA en extrusion réactive. S’appuyant sur le développement de moyens expérimentaux et d’analyses spécifiques, l’étude du comportement au choc des biocomposites a montré que les composites renforcés fibres de chanvre permettent d’absorber d’avantage d’énergie que les composites PP / verre (à taux volumique de renfort identique) pour une longueur de fissuration similaire. Une modélisation par éléments finis du comportement au choc des composites étudiés est également proposée. / Due to the necessity to find alternatives to fossil resources and to reduce the environmental impacts of human activity, a major research effort is currently ongoing in order to develop and increase the use of biobased products from renewable resources, such as natural fibers, in the design of industrial parts. However, many scientific and technological hurdles have yet to be removed so as to promote these products before we can reliably and durably use these fibers in a demanding technical context as in automotive sector. Thus, improving the quality of the interface between natural fibers and polymer matrix is a major challenge, since it constitutes a condition for satisfying the required mechanical performances, such as stiffness, tensile or impact strengths. In this context, the thesis objective was to develop short hemp fibers with controlled and targeted surface properties. Surface-functionalization solutions have been developed, to be used by industrial processes, with the aim of incorporating these fibers in a polypropylene (PP) matrix. Therefore, hemp fibers have been treated according to various functionalization strategies including the use of grafted polypropylene maleic anhydride (PP-g-MA), organosilanes, an amino acid, isocyanates and a polyurethane. Two treatments processes, with low environmental impact, were compared: the direct spraying of functionalization molecules on fibers and reactive extrusion incorporation of these molecules. Reactive extrusion treatments were more efficient than those performed by spraying in the case of PP-g-MA. Three functionalization lanes have been found to be relevant regarding the mechanical properties targeted: i) using PP-g-MA alone in reactive extrusion; ii) spraying-functionalization of an aminosilane or of an amino acid coupled with the incorporation of PP-g-MA into the reactive extrusion. Based on the development of experimental means and specific analyzes, the study of the impact behavior of biocomposites has shown that hemp fiber reinforced composites allow to absorb more energy than PP / glass composites (at identical reinforcing volume rate) for a similar crack length. Also, a finite element modeling of the impact behavior of the studied composites is propounded.

Les biocomposites sont des matériaux renforcés de fibres issues de ressources renouvelables. Ces matériaux sont une solution alternative aux composites renforcés de fibres de verre ou de carbone. En effet, leur légèreté et leurs propriétés mécaniques intéressantes leur confèrent un intérêt grandissant dans les secteurs tels que la construction (terrasse, meubles de jardin) ou l’automobile (panneaux de porte, tableaux de bord). Toutefois, les milieux humides, la température et le rayonnement UV sont des paramètres pouvant compromettre la stabilité physico-chimique des biocomposites. L’objectif principal de cette thèse a été d’évaluer la durabilité des biocomposites sous leurs conditions d’usage principales. Pour cela, ces matériaux ont été exposés pendant une année à l’extérieur (lames de terrasse) et sous vitre pare-brise (tableaux de bord). Les résultats ont montré que, bien que la performance mécanique des biocomposites ait été affectée, celle-ci n’a pas été grandement influencée par le type d’exposition. Par contre, les différences de variations de couleur et de cristallinité différant entre les deux expositions suggèrent des mécanismes de dégradation différents et très dépendants des conditions d’usage.Puisque les biocomposites peuvent être utilisés dans des environnements clos tels que les habitacles d’automobile, ils peuvent être également des sources de polluants dans l’air intérieur. L’étude des émissions de composés organiques volatils (COV) par les biocomposites au cours de leur vieillissement sous vitre pare-brise, a permis de générer des données nécessaires à l’évaluation de l’impact sur la qualité de l’air intérieur de véhicule de ces nouveaux matériaux. Cependant, l’augmentation drastique de la concentration de surface en COV au cours du vieillissement suggère que l’exposition a fortement affecté les biocomposites à cause de la sensibilité des composants structurant les fibres végétales face aux conditions d’exposition.La compréhension des mécanismes de dégradation peut s’effectuer à travers l’interprétation des liens de causalité entre les propriétés mécaniques et de microstructure, les émissions de COV, et l’apparence visuelle. Un traitement statistique par analyse en composantes principales (ACP) a ainsi permis de dégager les relations entre les paramètres quantitatifs.Le vieillissement naturel nécessite souvent une durée d’exposition longue pour apercevoir une dégradation effective des matériaux. De ce fait, le vieillissement accéléré en enceinte de laboratoire est de plus en plus réalisé en industrie permettant un gain de temps. Afin de vérifier la représentativité des mécanismes de dégradation en environnement extérieur par l’enceinte, une étude comparative entre le vieillissement naturel extérieur et un vieillissement accéléré en enceinte a été menée. / Biocomposites are fiber-reinforced materials from renewable resources. These materials are an alternative to fiberglass or carbon reinforced composites. Indeed, their lightweight and interesting mechanical properties give them a growing interest in sectors such as building (decking, garden furniture) or automobile (door panels, dashboards). However, humidity, temperature and UV radiation are parameters that can compromise the physicochemical stability of biocomposites.The main objective of this thesis is to assess the biocomposites durability in their main conditions of use. For this purpose, these materials have been exposed for one year outdoors (deck boards) and under windshield glass (dashboards). The results showed that the mechanical performance of biocomposites was affected and greatly influenced by the type of exposure. On the other hand, the differences in color and crystallinity variations that differ between the two exposures suggest different degradation mechanisms that are very dependent on the conditions of use.Since biocomposites can be used in environments such as the passenger cabin, they can also be sources of pollutants in indoor air. The study of emissions of volatile organic compounds (VOCs) by biocomposites during their ageing under windshield glass allowed generating data necessary for the evaluation of the impact on the car indoor air quality of these new materials. However, the drastic increase of VOCs surface concentration during exposure suggests that weathering strongly affected biocomposites due to the sensitivity of the structural components of plant fibers to exposure conditions.Understanding of the degradation mechanisms can be carried out through the interpretation of the causal links between mechanical and microstructural properties, VOC emissions and visual appearance. Statistical treatment by Principal Component Analysis (PCA) revealed the links and relationships existing between the quantitative parameters.Natural weathering often requires long time of exposure for an efficient perception of the materials degradation. Thus, accelerated ageing in laboratory is more and more carried out in industry for time saving. In order to verify the representativeness of the degradation mechanisms occurring during exterior weathering by weathering chambers, a comparative study between the exterior aging and the artificial aging was carried out.

L’utilisation des matériaux à faibles impacts environnementaux devient essentielle dans le secteur du bâtiment à cause de sa forte consommation d’énergie et de ressources naturelles. Cette thèse porte sur les isolants bio-sourcés et spécialement les laines de chanvres possédant des propriétés thermiques et hydriques intéressantes. La laine de chanvre, étant composée essentiellement de fibres végétales, constitue un matériau fibreux anisotrope et fortement poreux, et possède à l’échelle microscopique une structure complexe et aléatoire. D’où l’intérêt de décrire précisément la morphologie de ce type de laine et de caractériser sa structure par analyse d’images tomographiques à rayons X et des images MEB. Puis nous avons mis en place un modèle macroscopique couplé de transfert de chaleur et de masse, permettant de comprendre le comportement thermohydrique de ces laines en utilisant la méthode de changement d’échelle par prise de moyenne. Pour prendre en compte la complexité géométrique de la microstructure nous avons eu recours à un double changement d’échelle. / The use of low environmental impact materials becomes essential in the construction industry due to its high consumption of energy and natural resources. In this thesis it was focused on the bio-based and especially wool hemp insulation with interesting thermal and water properties. Hemp wool, being composed substantially of plant fibers, is an anisotropic, fibrous and highly porous material. At the microscopic level it possesses a complex and random structure, hence the interest of an accurate description to the morphology of this type of wool and to characterize its structure analysis by X-ray tomographic images and SEM images. Then a macroscopic model of coupled heat transfer and mass transport is set up to understand the behavior of these wools using the scaling method average gain. To take into account the geometric complexity of the microstructure a double change of scale was used.

La conception écologique des structures et le développement durable jouent un rôle important dans l'industrie de la construction. Les matériaux écologiques de construction tels que le béton de terre, contenant une proportion de divers composants écologiques, sont de grande importace aujourd'hui. L'objectif de la production de ce béton est de réduire la consommation de ciment et donc la production de CO2, de fournir des solutions pour éviter l’épuisement des ressources naturelles comme les granulats et de réduire la consommation d'énergie dans le processus de production.Ces dernières années, de nombreux efforts ont été réalisés dans le domaine de la construction pour remplacer le béton traditionnel par des matériaux alternatifs tels que le béton contenant une forte proportion de divers composants écologiques appelés « vert » en maintenant des propriétés acceptables pour l'application souhaitée. Par exemple, les constructions réalisées à partir de la terre crue sont intéressantes considérant leurs meilleures propriétés thermiques et acoustiques par rapport à un béton ordinaire. Cependant, des recherches additionnelles sont nécessaires pour mieux comprendre leurs propriétés mécaniques et leur durabilité.Cette étude vise à optimiser la composition d’un nouveau béton écologique constitué de sols locaux. Plusieurs mélanges composés de différentes proportions de sols argileux, de sols sableux et de faible quantité de ciment, de chaux et de fibres de chanvre ont été testés. La minéralogie et la composition chimique du sol argileux ont été étudiées par analyse des résultats obtenus par diffraction des rayons X (XRD) et par Microscopie à balayage électronique (ESEM) associée à la spectrométrie dispersive énergétique des rayons X (EDS). Le compactage des mélanges de béton de terre a été réalisé par vibration, comme dans le cas d’un béton ordinaire, pour obtenir l'ouvrabilité requise sur les chantiers de construction. Des essais de compression ont été effectués sur des éprouvettes d’âges différents et conservées dans différentes conditions de cure. La technique non destructive des ultrasons a été utilisée pour suivre le durcissement du béton de terre en fonction des conditions de cure. Les propriétés de transfert de ce béton ont été aussi étudiées en réalisant des essais de perméabilité, de porosité à l’eau, de porosimétrie à mercure et des essais d'absorption d'eau. La carbonatation de ce béton a été également évaluée. La durabilité du béton de terre a été examinée en suivant les déformations différées et plus particulièrement le retrait endogène et de dessiccation ainsi que le fluage en flexion. / The ecological design of structures and the sustainable development is nowadays of high importance in the construction industry. Thus, alternative building materials such as soil concrete containing a proportion of various ecological components are of high importance nowadays. The aim of producing ecological concrete is to reduce the consumption of cement and thus the CO2 production, to provide alternatives to the impoverishment of resources and to reduce the energy consumption in the production process.In recent years, many changes have been observed in the construction methods with the aim to replace traditional concrete by alternative construction materials such as concrete containing a high proportion of various ecological component called "green" while maintaining acceptable properties for the desired application. For instance, constructions made of cost effective raw soils are of real interest since the thermal and acoustic properties are more important than that of ordinary concrete. However, more researchs are needed in order to have a better understanding of their mechanical properties and their durability.This study aims to optimize the composition of a new ecological concrete constituted of upgraded excavated soil. Several soil concrete mixtures, composed of different proportions of clayey soil, sandy soil and small quantities of cement, lime and hemp fibers have been tested. The mineralogy and chemical composition of clayey soil was studied by X-ray diffraction (XRD) analysis, and by Environmental Scanning Electron Microscopy (ESEM) coupled with the X-Ray Energy Dispersive Spectrometry (EDS). The casting of the concrete mixtures has been realized by vibration, as ordinary concrete, to obtain the required workability on construction sites.Compressive tests have been carried out on samples at different curing time and conditions. The ultrasonic non-destructive technique has been used for monitoring the hardening of soil concrete in function of the curing conditions. As soil concrete presents important volumetric change that can cause the infiltration of water and impact their durability, an experimental investigation on autogenous and drying shrinkage is reported. Water porosity and water absorption tests have been also carried out to evaluate the transfer property of the porous material. The carbonation of this concrete was also evaluated. The durability of the soil concrete was examined by following the deferred deformations and more particularly the endogenous shrinkage and desiccation as well as the flexural creep.

Ces travaux de thèse constituent une contribution au développement de composites chanvre/époxy 100% bio-sourcés. Les enjeux environnementaux actuels favorisent l'émergence de matériaux issus de ressources renouvelables telles que les fibres végétales mais conduisant aussi à une large gamme de synthons bio-sourcés, notamment à l'origine de prépolymères époxydiques. Une étude approfondie des deux constituants (fibres de chanvre et matrices polyépoxydiques) est réalisée avant l'étape d'élaboration des composites. Un traitement au CO2 supercritique est appliqué sur les fibres de chanvre utilisées comme renfort dans les matériaux composites. Le résultat de ce traitement mène à une meilleure individualisation ainsi qu'à une baisse du pouvoir hygroscopique des fibres. Ces aspects, décisifs pour garantir de bonnes propriétés pour le composite final, sont néanmoins nuancés par une baisse des propriétés ultimes en traction à l'échelle des fibres mais également à l'échelle du composite. De la même façon, la diminution du pouvoir hygroscopique des fibres après traitement se répercute à l'échelle du composite, permettant ainsi d'améliorer la durabilité du composite. La synthèse des résines époxydiques utilisées dans cette étude est réalisée à partir de ressources renouvelables et abondantes telles que la lignine. Les polyépoxydes thermodurcissables ainsi préparés présentent de bonnes performances, compatibles avec le cahier des charges pour des applications composites à renfort végétal. Au regard des résultats obtenus, les composites 100% bio-sourcés sont des matériaux d'avenir. Leur développement nécessite néanmoins une étude approfondie de leur durabilité. / This thesis contributes to the development of 100% bio-based hemp/epoxy composites. Current environmental issues favor the emergence of materials derived from renewable resources such as plant fibres and a wide range of bio-based building-blocks, source of epoxy prepolymers in particular. An intensive investigation of the two constituents (hemp fibres and polyepoxidic matrix) is carried out before the composites manufacturing. Supercritical CO2 treatment is applied to hemp fibres used as reinforcement in composite materials. This treatment, not optimized, leads to better individualization as well as a decrease in the hygroscopic power of the fibres. These aspects, which are essential in order to guarantee good properties for the final composite, are nevertheless qualified by a loss of mechanical properties at the fibre scale but also at the composite scale. In the same way, the decrease in the hygroscopic power of the hemp fibres after treatment is reflected at the composite scale, thus improving the durability of the crosslinked material. The synthesis of the epoxy resins used in this study is made from abundant resources such as lignin. The thermosetting polyepoxides prepared in this study have good performance, compatible with the specification for composite applications with plant fibres reinforcement. In view of the results obtained, 100% bio-based composites are materials with a high future potential. Nevertheless, their development requires a comprehensive sustainability study.