L'isoprène est le composé organique volatil biogénique le plus émis à l'échelle de la planète. Il a été montré récemment que, malgré ses faibles rendements de production d'aérosols organiques secondaires (AOS), il pouvait contribuer de manière significative à la matière organique particulaire totale atmosphérique du fait de sa forte émission à l'échelle globale. L'AOS est reconnu pour présenter plusieurs impacts sur l'environnement, et notamment, sur le climat. Cependant, ses processus de formation, et notamment ceux ayant lieu via les gouttelettes nuageuses (voie potentiellement importante) restent encore mal connus. L'objectif de ce travail a été d'étudier la formation d'AOS issus de la photooxydation de l'isoprène (ou de la méthacroléine, un de ses produits d'oxydation majeurs) en conditions sèches ainsi qu'en présence de nuage. La chimie se produisant dans les phases gazeuse, particulaire et aqueuse ; et les échanges ayant lieu entre ces phases ont ainsi été investigués via une approche multiphasique originale dans la chambre de simulation atmosphérique CESAM. Une caractérisation des phases gazeuse et particulaire durant la photooxydation de l'isoprène en absence d'hydrométéores a, dans un premier temps, été effectuée. Les rendements de production d'AOS présents dans la littérature montrent une dispersion générale, les rendements obtenus lors des expériences sont cependant en bon accord avec les valeurs basses présentées dans la littérature. Cette caractérisation en conditions sèches a été complétée par la modélisation 0D des résultats. Les désaccords entre les données mesurées et les simulations issues des modèles explicite et détaillé sont importants et une inadéquation des codes chimiques à la chimie de l'isoprène ne peut être écartée. Pour la première fois en chambre de simulation, des protocoles destinés à étudier la photochimie en phase nuageuse ont été développés. Une méthodologie spécifique permettant de générer des nuages de durée de vie suffisante pour permettre l'établissement de réactions en phase aqueuse a ainsi été mise en place. L'influence de cycles d'évapo-condensation nuageux sur la photooxydation de l'isoprène, ou de ses produits d'oxydation, a ensuite été investiguée. Cette étude a permis de mettre en évidence l'existence d'un impact de la génération de nuage sur les phases gazeuse et particulaire, suggérant fortement l'existence d'une production très significative d'AOS issus de la photooxydation de l'isoprène via les gouttelettes nuageuses / Isoprene is the most abundant volatile organic compound in global scale. Despite its low secondary organic aerosol (SOA) yields, it has been recently shown that isoprene can significantly contribute to total particulate organic mass due to its large emissions. SOA are known to have various impacts on the environment, especially on climate. However, lacks in the comprehension of the SOA formation pathways, particularly via cloud droplets, are still important. The aim of the present work is to study SOA formation from isoprene (or methacrolein, one of isoprene major oxidation products) photooxidation, in dry condition, as well as in the presence of cloud. The chemistry occurring in the gaseous, particulate and aqueous phases, and the exchange between these phases were investigated through an original multiphase approach in the CESAM simulation chamber. Gaseous and particulate phases during isoprene photooxidation without hydrometeor were first characterized. While the SOA yields in the literature exhibit a general dispersion, the SOA yields obtained during the experiments are consistent with the lowest values found in the literature. This characterization in dry condition was completed by a simulation approach using a 0D photochemical box model. SOA yields obtained from explicit and detailed models show important disagreement with those measured: an incompatibility of the chemical codes with the isoprene chemistry cannot be dismissed. For the first time, protocols have been developed to study photochemistry in cloud phase in a simulation chamber. A specific methodology allowing the production of a cloud with an important lifetime was set up. The impact of cloud evapo-condensation cycles on the photooxidation of isoprene and its oxidation products was finally investigated. The impact of the cloud generation on the gaseous and particulate phases has been highlighted, suggesting a significant production of SOA from isoprene photooxidation by interactions with cloud droplets

Les Composés Organiques Volatils biogènes (COVB) sont des molécules issues du métabolisme secondaire des végétaux, dont l'émission peut être modulée par les conditions environnementales. Parmi ces composés, l'isoprène a été très étudié du fait des flux d'émission important et de son implication dans la photochimie troposphérique. Cependant, les mécanismes d'action des facteurs environnementaux sont encore mal connus, et notamment celui de l'impact du stress hydrique. Dans le contexte de changements climatiques, ce type de stress va particulièrement impacter la région méditerranéenne.Nous avons étudié l'impact du stress hydrique sur les émissions d'isoprène de Quercus pubescens Willd. Cette espèce, très présente dans cette région, serait la seconde source d'isoprène en Europe.Deux étude ont été menées.La première, effectuée en pépinière, a consisté à appliquer un stress hydrique modéré et sévère d'avril à octobre. Une augmentation des émissions d'isoprène des arbres modérément stressés a été observée alors qu'il n'y a eu aucune modification des émissions pour les arbres très stressés.La seconde a consisté à faire un suivi saisonnier du stress hydrique au sein d'une chênaie pubescente. Un stress hydrique amplifié a été appliqué par un système d'exclusion de pluie, permettant de diminuer la quantité de pluie de 30%. Nous avons observé que le stress hydrique amplifié augmentait les facteurs d'émission d'isoprène des arbres.Cette base de données a permis le développement, par Réseau de Neurones Artificiels (RNA), d'un algorithme d'émission d'isoprène. Nous avons ainsi mis en évidence l'impact prédominant du contenu en eau du sol sur les émissions d'isoprène. / Biogenic Volatile Organic Compounds (BVOC) are plants secondary-metabolism-molecules. Their emissions are modulated by environmental conditions. Among these compounds, isoprene has been particularly studied due to its intense emission fluxes as well as its major contribution to tropospheric photochemistry. However, the impacts of environmental constraints on isoprene emission are still not yet well known. In particular, water stress impact is still a contradictory issue. In a world facing multiple climatic changes, models expect this kind of stress to hit Mediterranean area.This work focused on the impact of water stress on Quercus pubescens Willd. isoprene emissions. This species, widely spread in this area, is the second isoprene emitter in Europe.Two types of study were used.First, during an experimental carried out in a nursery, Q. pubescens saplings were grown under a moderate and severe water stress from April to October. This experimentation highlighted an increase of isoprene emissions for mid-stressed trees, while no emission changes were observed for the highly stressed trees.Secondly, an experimentation was conducted on a pubescent oak forest with trees acclimated to long lasting stress periods. We followed, during a whole season, the impact, on isoprene emissions, of a water stress created by artificially reducing 30% of the rains by means of a specific deploying roof. Isoprene emission factors were observed to increase under water stress.The database thus obtained was used in an Artificial Neural Network (ANN) to develop an appropriate isoprene emission algorithm. We underlined the predominant impact of soil water content on isoprene emissions.

Les Composés Organiques Volatils d’origine Biogénique (COVB) émis par la végétation représentent 1PgC.an-1 à l’échelle globale. Ces COVB, une fois émis dans l’atmosphère, peuvent participer à la formation d’ozone troposphérique ainsi qu’à la formation d’aérosols organiques secondaires et donc à la pollution atmosphérique. C’est pourquoi, il est important de quantifier le plus précisément possible les taux d’émissions de COVB et de mieux comprendre quels sont les facteurs environnementaux qui contrôlent ces émissions. Il est bien connu que les émissions de COVB sont contrôlées par la lumière et/ou la température mais elles peuvent également être influencées par d’autres facteurs comme le stress hydrique, bien que son impact soit encore mal compris. En effet, il a été montré que le déficit hydrique pouvait augmenter ou diminuer les émissions de COVB selon son intensité, sa durée et l’espèce étudiée. Dans le cadre du changement climatique, une intensification de la sécheresse est attendue en région Méditerranéenne avec une augmentation de la température, une diminution des pluies ainsi qu’une prolongation de la période de sécheresse. Ce changement climatique pourrait donc modifier les émissions de COVB. De plus, les effets d’une sécheresse appliquée sur plusieurs années sont encore mal connus. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à la réponse des émissions de COVB du chêne pubescent (Quercus pubcescens Willd.)face au stress hydrique attendu en région méditerrannéenne avec le changement climatique. / Biogenic Volatile Organic Compounds (BVOC) emitted by vegetation represent 1PgC.yr-1 at the global scale. These BVOC, once emitted into the atmosphere, can participate in the troposheric ozone formation as well as secondary oragnic aerosols and, consequently, on the atmospheric pollution. That’s why, it is very important to quantify, as accurately as possible, the BVOC emissions and to improbe the knowledge about the environmental factors which drive these emissions. It is well known that BVOC emissions are controlled by the light and the temperature but they can be impacted by other factors such as water stress. Nevertheless, these mechanisms are not well understood yet, since it has been shown that water stress can increase or decrease BVOC emissions according to the intensity and the duration of stress. In a context of climate change, we can expected an intensification of summer drought in Mediteranean area with an incerase of temperature, a decrease of rainfall as well as an elongation of stress period. This climate change could modify BVOC emissions. Moreover, the effects of a water stress applied during several years are not known. In this study, we wanted to evaluate the impact of water stress, expected with climate change, on BVOC emitted by Downy oak (Quercus pubescens Willd.), main isoprene emitter of Mediterranean region.

A tall tower flux measurement setup was established in metropolitan Houston, Texas, to measure trace gas fluxes from both anthropogenic and biogenic emission sources in the urban surface layer. We describe a new relaxed eddy accumulation system combined with a dual-channel gas chromatography - flame ionization detection used for volatile organic compound (VOC) flux measurements in the urban area, focusing on the results of selected anthropogenic VOCs, including benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes (BTEX), and biogenic VOCs including isoprene and its oxidation products, methacrolein (MACR) and methyl vinyl ketone (MVK). We present diurnal variations of concentrations and fluxes of BTEX, and isoprene and its oxidation products during summer time (May 22 - July 22, 2008) and winter time (January 1 - February 28). The measured BTEX values exhibited diurnal cycles with a morning peak during weekdays related to rush-hour traffic and additional workday daytime flux maxima for toluene and xylenes in summer time. However, in winter time there was no additional workday daytime peaks due mainly to the different flux footprints between the two seasons. A comparison with different EPA National Emission Inventories (NEI) with our summer time flux data suggests potential underestimates in the NEI by a factor of 3 to 5. The mixing ratios and fluxes of isoprene, MACR and MVK were measured during the same time period in summer 2008. The presented results show that the isoprene was affected by both tail-pipe emission sources during the morning rush hours and biogenic emission sources in daytime. The observed daytime mixing ratios of isoprene were much lower than over forested areas, caused by a comparatively low density of isoprene emitters in the tower's footprint area. The average daytime isoprene flux agreed well with emission rates predicted by a temperature and light only emission model (Guenther et al., 1993). Our investigation of isoprene's oxidation products MACR and MVK showed that both anthropogenic and biogenic emission sources exist for MACR, while MVK was strongly dominated by a biogenic source, likely the isoprene oxidation between the emission and sampling points.

Cette étude se focalise sur les impacts de la réactivité en phase aqueuse de la méthacroléïne et de la méthyl vinyl cétone sur la formation des nouveaux aérosols organiques secondaires (AOS), et les impacts de la réactivité en phase aqueuse sur le vieillissement des AOS formés par l’isoprène, α-pinène et 1,3,5-triméthylbenzène en phase gazeuse. Les études de la réactivité en phase aqueuse ont été étudiées vis-à-vis des radicaux OH. Dans le but d’identifier et quantifier les produits d’oxydation des différents précurseurs d’intérêt, les échantillons en phase aqueuse ont été analysés par différents systèmes analytiques. Les résultats montrent clairement la formation de petits composés primaires et secondaires qui ont été expliqués par les mécanismes réactionnels. On a observé également la formation de composés à haute masse moléculaire par rapport à leurs précurseurs. Ces produits ont été supposés être très peu volatils et pourraient induire la formation des AOS lors de l’évaporation de l’eau. Leur capacité à former des AOS a été montrée expérimentalement par les expériences de nébulisation des solutions aqueuses à différents temps de réaction. Les résultats montrent qu’au moins une part de ces produits à haute masse moléculaire reste en phase particulaire lors de l’évaporation de l’eau, et contribue à la formation des AOS. L’ensemble de ces résultats met en évidence le fait que la réactivité en phase aqueuse atmosphérique peut induire des effets importants sur la formation et le vieillissement des AOS atmosphériques, qui peut induire une modification des propriétés physico-chimiques des aérosols. / This work focused on the impacts of aqueous phase OH-oxidation of methacrolein, methyl vinyl ketone on the SOA formation, and impacts of aqueous phase OH-oxidation on aging of SOA that are formed by isoprene, -pinene and 1,3,5-trimethylbenzene in gas phase. The chemical characterization of aqueous phase was performed by different analytical techniques. The results show the formation of small primary and secondary reaction products that were explained by suitable chemical reaction mechanisms. The formation of oligomers with high molecular mass (compared with their precursors) has also been observed during the OH-oxidation. These oligomers might be low volatile compounds that induce the formation of SOA during water evaporation. Their capacity to form SOA was experimentally demonstrated by nebulizing the aqueous phase solution at different reaction times. The results show that at least a part of oligomers remains in the particle phase during water evaporation, and contributes to the SOA formation. All of these results highlight that aqueous phase reactivity could induce important effects on the formation and aging of atmospheric SOA, which can induce modification of physico-chemical properties of SOA.

Στην εργασία αυτή μελετήθηκε o ρυθμός ροής υδατικών διαλυμάτων, σε διάφορα pH περιβάλλοντος, διαμέσου ενός νανοπορώδους υλικού τροποποιημένου με πολυμερικές ψήκτρες. Ειδικότερα, ερευνήθηκε το σύστημα του σύνθετου υλικού πορώδους ανοδικής αλουμίνας με πολυμερικές ψήκτρες του γραμμικού δισυσταδικού συμπολυμερούς πολύ(Ισοπρένιου)–b–πολυ(Ακρυλικού Οξέους) (ΙΑΟ). Η προσρόφηση καθώς και η κινητική προσρόφησης του IAO στο νανοπορώδες υλικό διερευνήθηκε κυρίως μέσω τεχνικών δονητικής φασματοσκοπίας. Πιο συγκεκριμένα με τεχνικές υπερύθρου μετασχηματισμού κατά Φουριέ (Fourier Transform Infrared Spectroscopy ή FT-IR), εγγύ υπερύθρου (N-IR) και Αποσβεννύμενη Ολική Ανάκλαση στο μέσο υπέρυθρο (ATR-IR). Ακόμη, με σκοπό την ποσοτικοποίηση της προσροφημένης ποσότητας του ΙΑΟ εφαρμόστηκε η τεχνική της θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA). Τέλος, για την απόκτηση μιας λεπτομερούς εικόνας σχετικά με τη δομή του σύνθετου νανο-πορώδους υλικού τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν και με ηλεκτρονική μικροσκοπία (SEM/EDS). / In the present study the flow rate of aqueous solutions of different pH values through a nanoporous material functionalized with polymeric brushes was investigated using spectroscopic and thermogravimetric methods. In particular, the system under study was a composite material of porous anodic alumina with polymeric brushes of the diblock copolymer poly(Isoprene)–b–poly(Acrylic Acid) (IAO). The adsorption and adsorption kinetics of the IAO onto nanoporous alumina were explored mainly through techniques of vibrational spectroscopy. More specifically Fourier Transformed Infrared Spectroscopy (FT-IR), Near Infrared (N-IR) and Attenuated Total Reflectance (ATR-IR) were employed for this purpose. Moreover, for the quantification of the adsorbed amount of IAO, thermogravimetric analysis was applied (TGA). Finally, to obtain a comprehensive picture of the structure of the nanoporous composite materials used in this study, samples were additionally characterized by electron microscopy (SEM/EDS).

Le présent travail de thèse décrit le développement de systèmes actifs de polymérisation d’oléfines basés sur des métaux de fin de transition (nickel et fer) supportés sur des nanomatériaux. Le chapitre I décrit l’état de l’art des systèmes catalytiques supportés ou non pour la polymérisation d’oléfines. Dans le chapitre II, nous décrivons la polymérisation de l’éthylène en utilisant des catalyseurs de nickel contenant un groupement –NH2 pour leur immobilisation covalente sur nanotubes de carbone ; montrant l’influence positive de l’immobilisation : les catalyseurs ainsi supportés sont en effet à la fois plus actifs et conduisant à des polymères de plus haut poids moléculaire. Dans le chapitre III, des complexes de fer contenant un groupement pyrène sont décrits et immobilisés sur nanotubes de carbone par interaction non covalente π-π. Dans ce cas, à la fois les systèmes homogènes et leurs analogues supportés catalysent la réaction de polymérisation de l’éthylène avec des activités particulièrement élevées. Il a également pu être mis en évidence l’importante influence du support carboné sur les performances du système catalytique ainsi que sur la structure des polymères obtenus. Différents types de complexes de nickel contenant un ligand imino-pyridine et différents groupes polyaromatiques ont été synthétisés et leur utilisation en polymérisation de l’éthylène est décrite dans le chapitre IV. L’influence de l’addition de faibles quantités de matériaux nanocarbonés (nanotubes de carbone ou graphène) au milieu réactionnel a ainsi été étudiée. Le graphène s’est dans ce cas révélé particulièrement bénéfique sur les performances du catalyseur. Enfin, le chapitre V décrit la polymérisation de l’isoprène à l’aide de catalyseurs de fer contenant des groupements polyaromatiques permettant leur immobilisation à la surface de nanoparticules de fer. Ces systèmes ont ensuite pu être confinés dans des nanotubes de carbone. Les systèmes catalytiques décrits sont particulièrement actifs produisant des polyisoprènes à température de transition vitreuse élevée et avec une haute sélectivité trans-1,4-polyisoprène. / This present thesis deals with the development of active olefin polymerization catalysts based on late transition metal (nickel and iron) imino-pyridine complexes supported on nanomaterial. Chapter I gives a comprehensive literature review of unsupported and supported ethylene polymerization catalyst. In Chapter II we report the ethylene polymerization studies using nickel complexes containing an –NH2 group for covalent immobilization on multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) of the corresponding precatalysts. Comparison of the homogeneous catalysts with their supported counterparts evidenced higher catalytic activity and higher molecular weights for the polymers produced. In Chapter III, iron complexes containing a pyrene group have been synthesized and immobilized on MWCNTs through non-covalent π-π interactions between pyrene group and surface of MWCNTs. Activated by MMAO, both the iron complexes and immobilized catalysts show high activities for ethylene polymerization. It was possible to evidence that MWCNTs have a great influence on the catalytic activity and on the structure of the resulting polyethylenes. Imino-pyridine nickel complexes containing various kinds of aromatic groups have been synthesized in Chapter IV and polymerization conditions in the presence and in the absence of nanocarbon materials, such as MWCNTs or few layer graphene (FLG), are discussed. For those nickel catalysts bearing 1-aryliminoethylpyridine ligands, the presence of MWCNTs in the catalytic mixture allows the formation of waxes of lower molecular weight and polydispersity, whereas the presence of FLG proved to be beneficial for the catalytic activity. In Chapter V, isoprene polymerization catalyzed by iron complexes containing polyaromatic groups and non-covalently supported on nanoparticles and confined into the inner cavity of MWCNTs (Cat@NPs and Cat@NPs@MWCNTs) are investigated. Iron complexes show excellent activity for the isoprene polymerization and produced high glass temperature polyisoprene with a high trans-1,4-polyisoprene selectivity. Polymer nanocomposites are produced by supported catalysts and, transmission electron microscopy (TEM) evidenced efficient coating of the resulting polyisoprene around the oxygen sensitive iron nanoparticles.

La cristallisation sous tension (SIC) du caoutchouc naturel (NR) a fait l’objet d’un nombre considérable d’études depuis sa découverte il y a près d’un siècle. Cependant, il existe peu d’informations dans la littérature concernant le comportement du caoutchouc à des vitesses de sollicitation proches des temps caractéristiques de cristallisation. L’objectif de cette thèse est alors de contribuer à la compréhension du phénomène de cristallisation sous tension grâce à des essais dynamiques à grandes vitesses. Pour répondre à cet objectif, nous avons développé une machine de traction permettant de déformer des échantillons d’élastomères à des vitesses de sollicitation pouvant aller jusqu’à 290s-1. Les essais ont été réalisés sur quatre NR avec des taux de soufre variables, deux NR chargés comportant des taux de noir de carbone différents. Nous avons également étudié un matériau synthétique à base de polyisoprène (IR) afin de comparer ses performances à celle du NR. Les essais dynamiques étant relativement difficiles à interpréter, un travail conséquent a donc été d’abord réalisé à basse vitesse. En outre, l’approche expérimentale proposée a été couplée à une approche thermodynamique de la SIC. Les mécanismes généraux associés à la cristallisation que nous identifions sont les suivants: lors d’une traction, la cristallisation consiste en l’apparition de populations cristallines conditionnée par l’hétérogénéité de réticulation des échantillons. Cette cristallisation semble nettement accélérée dès lors que ce cycle est réalisé au-dessus de la déformation de fusion. Nous attribuons ce phénomène à un effet mémoire dû à un alignement permanent des chaînes. Enfin, l’effet de la vitesse est décrit théoriquement en intégrant un terme de diffusion des chaînes dans la cinétique de SIC. Cette approche couplée à des essais mécaniques suggère que la SIC est essentiellement gouvernée par la cinétique de nucléation. Lors des tests dynamiques, la combinaison de l’effet mémoire et d’une accélération de la fusion pendant le cycle entraine une nette diminution voire une disparition de l’hystérèse cristalline. En outre, l’auto-échauffement, qui augmente progressivement avec la fréquence du cycle, tend à supprimer l’effet mémoire en provoquant le passage du cycle en dessous de la déformation de fusion. Lors de ces essais dynamiques, la SIC semble favorisée pour le matériau le moins réticulé. Nous attribuons cet effet au blocage d’enchevêtrements jouant le rôle de sites nucléants pour la SIC. Le matériau chargé semble avoir une moins bonne aptitude à cristalliser à hautes vitesses, par rapport à l’élastomère non chargé, en raison d’un auto-échauffement important à l’interface entre charges et matrice. Enfin, nous notons une convergence des cinétiques de cristallisation du caoutchouc naturel et synthétique à grande déformation et grande vitesse de sollicitation, que nous attribuons à la prédominance du terme énergétique d’origine entropique dans la cinétique de nucléation. / Strain induced crystallization (SIC) of Natural Rubber (NR) has been the subject of a large number of studies since its discovery in 1929. However, the literature is very poor concerning the study of SIC when samples are deformed with a stretching time in the range of the SIC characteristic time (around 10msec-100msec). Thus, the aim of this thesis is to contribute to the understanding of the SIC phenomenon thanks to dynamic tensile tests at high strain rates. To meet this goal, we have developed a dynamic tensile test machine allowing stretching samples of elastomers at strain rates up to 290 s-1. The tests are carried out on four NR with different sulphur amount, two NR with different carbon black filler amounts. We also studied a synthetic rubber made of polyisoprene chains (IR) able to crystallize under strain. Dynamic tests are relatively difficult to interpret; a significant work has thus been first performed at slow strain rate. Moreover, the experiments are coupled with a thermodynamic approach. First, the general mechanisms associated to the crystallization are identified as follows: during mechanical loading or during cooling in the deformed state, SIC is the result of successive appearance of crystallite populations whose nucleation and growth depend on the local network density. Crystallization is enhanced when the cycle is performed above the melting stretching ratio. This phenomenon is attributed to a memory effect due to a permanent alignment of the chains. Finally, the effect of the strain rate is theoretically described thanks to a diffusion term. This approach, coupled with experiments suggests that SIC is mainly governed by the nucleation kinetics. For the dynamic test, the combination of the memory effect and the acceleration of the melting during the cycle lead to a reduction or even disappearance of the crystalline hysteresis. In addition, self-heating, which progressively increases with the frequency of the cycle, causes the delay of the melting stretching ratio. This well explains why the crystallinity index decreases at the minimum stretching ratio of the dynamic cycles when the frequency increases. We finally compared the ability of our different rubbers to crystallize at high strain rates. SIC is enhanced for the weakly crosslinked rubber. This might be related to the dynamics of its free entanglements, these ones acting as supplementary crosslinks at high strain rates. Then, a filled rubber is compared to the unfilled one. We found that the filled sample has a lower ability to crystallize at high strain rates as compared to the unfilled one. This is likely due to the strong self-heating at the interface between the fillers and the rubbery matrix. Finally, we observe a convergence of crystallization kinetics in natural and synthetic rubbers at high strains and high strain rates. This is attributed to the predominance of the entropic energy in the nucleation kinetics in these experimental conditions.

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