L'objectif de cette thèse est le développement de matériaux polymères injectables innovants issus de ressources renouvelables et répondant aux exigences techniques automobiles. Pour cela nous nous sommes intéressés à des mélanges de polymères modèles : le polyamide 12 et l'amidon plastifié. Nos travaux ont donc porté sur l'optimisation des propriétés de ces mélanges, via le contrôle de la morphologie. Ainsi deux stratégies ont été envisagées : la compatibilisation du mélange grâce à deux agents réactifs et la modification des paramètres de mise en œuvre. Ces deux stratégies se sont révélées être efficace pour l'amélioration des propriétés des mélanges. Enfin à partir de cette étude sur les polymères modèles, des matériaux issus de ressources renouvelables ont été formulés. De même une étape de compatibilisation à partir d'une résine époxy a été envisagée permettant au final d'obtenir des matériaux ayant des propriétés optimisées.

Les mélanges de polymères ouvrent une importante voie à l’obtention de nouveaux matériaux dont les propriétés peuvent être très différentes de celles de chacun des constituants des mélanges. La plupart des polymères sont immiscibles. Ainsi leurs mélanges constituent des phases distinctes et les propriétés de ces mélanges sont souvent médiocres. Afin de relever ce défi, copolymères à bloc ou greffés synthétisés séparément ou générés in-situ lors du procédé de mélanges sont souvent utilisés en tant que agents compatibilisants. Beaucoup d’études ont porté sur l’efficacité de compatibilisation de copolymères à bloc et peu d’études sur celle de copolymères greffés, en partie en raison des difficultés dans le contrôle de leurs structures moléculaires. Cette thèse porte sur l’étude de l’efficacité d’émulsification de copolymères greffés. Elle est composée de trois parties : (1) développement d’un nouveau procédé d’extrusion réactive pour la synthèse de copolymères greffés avec polystyrène (PS) comme squelette et polyamide 6 (PA6) comme greffons ; (2) efficacité d’émulsification du copolymère greffé, PS-g-PA6 pour les mélanges à base de PS et PA6 ; et (3) développement d’un nouveau concept dit d’agent émulsifiant – traceur / Polymer blending offers an important route to new materials with combinations of properties not available in constituent polymers. Most polymer pairs are immiscible, leading to phase separation at equilibrium and yield a material with poor properties. To address this challenge, block or graft copolymers pre-made or generated in-situ by reactive blending are often used as compatibilizers. Most studies are focused on the compatibilizing efficiency of block copolymers and few studies address that of graft copolymers, partly because of difficulties of controlling their molecular structures.This thesis is devoted to the study of the emulsification efficiency of graft copolymers. It is composed of three parts: (1) development of a novel reactive extrusion process for synthesizing graft copolymers with polystyrene (PS) as backbone and polyamide 6 (PA6) as grafts; (2) emulsification efficiency of PS-g-PA6 graft copolymers for PS/PA6 blends; and (3) concept of emulsifier- tracer

L’objectif de cette thèse est d’investiguer la miscibilité des mélanges de polymères dans une perspective de recycler les polymères issus des DEEE par rotomoulage. En effet, la miscibilité est un facteur clé qui conditionne les propriétés finales du mélange. Basé sur les résultats de caractérisation des flux DEEE d’Éco-systèmes, le choix des matériaux d’étude (PVDF/PMMA) et (ABS/PC) a été motivé par l’intérêt à la fois industriel et scientifique de ces deux couples. La première partie du travail présente une panoplie de méthodes expérimentales mises en place, allant des procédés de mise en œuvre à la caractérisation des matériaux dans le but d’explorer in fine la miscibilité de ces mélanges. En particulier, l’étude de la coalescence des grains a permis de mettre en évidence la miscibilité du couple PVDF/PMMA et la miscibilité partielle de l’ABS/PC (phénomène d’enrobage). À l’issu de cette étude, le couple PVDF/PMMA a été retenu en tant que couple « modèle » pour mettre en place un modèle prédictif généralisé de la coalescence entre grains de polymères différents. Ce modèle a été couplé à une étude probabiliste paramétrique des incertitudes permettant d’évaluer l’effet des incertitudes des mesures relatives à la viscosité, la tension de surface, le temps de relaxation et la taille des grains sur la cinétique de coalescence. Le travail se termine par une ébauche de la simulation du phénomène de coalescence et de l’enrobage dans le cas des polymères miscibles et partiellement miscibles. / The aim of this thesis is to study the miscibility of polymer blends with a view to recycling WEEE polymers by rotomoulding. Indeed, miscibility is a key factor which determines the final properties of polymer blends. The work was divided into two parts. Based on the characterization results of Éco-systèmes WEEE, the choice of materials (PVDF / PMMA) and (ABS / PC) was motivated by the industrial and scientific interest of these two couples. The first part of the work presents an array of experimental methods, ranging from processing to material characterization, with the aim of exploring the miscibility of these mixtures. In particular, the study of the coalescence of the grains made it possible to demonstrate the miscibility of the PVDF / PMMA couple and the partial miscibility of the ABS / PC (coating phenomenon). At the end of this study, the PVDF / PMMA couple was retained as a "model" pair to perform a generalized predictive model of the coalescence between different polymer grains. This model was coupled with a probabilistic parametric analysis to evaluate the effect of the uncertainties of the viscosity, surface tension, relaxation time and grain size measurements on coalescence kinetics. The work ends with a draft of the simulation of the coalescence phenomenon and the coating in the case of miscible and partially miscible polymers respectively

Les mélanges de polymères sont fréquemment formulés en vue d'atteindre un compromis de propriétés bien spécifique. C'est notamment le cas dans les bandes de roulement d'un pneumatique, dans lesquelles l'utilisation de plusieurs élastomères permet de régler le comportement dissipatif du matériau, propriété clé au regard des performances d'adhérence et de résistance au roulement. Pour améliorer la rigidité et la tenue mécanique de la gomme, des particules minérales sont également ajoutées aux formulations de la bande de roulement, telles que la silice hautement dispersible qui permet d'améliorer les propriétés de résistance au roulement sans compromettre les propriétés d'adhérence et d'usure. Dans ce contexte, la problématique de ce travail de thèse est d'identifier les leviers permettant de modifier la localisation des charges dans un mélange d'élastomères, puis d'en comprendre l'impact sur les propriétés viscoélastiques et de renfort. La première partie s'attache donc à comprendre quels sont les paramètres influant sur la localisation de la charge dans des mélanges d'élastomères immiscible. Pour cela, l'effet des interactions entre constituants est étudié en modifiant l'état de surface de la charge, la nature de la charge ou encore la nature des élastomères. Puis l'incidence des effets cinétiques est analysée en faisant varier le ratio de viscosité des élastomères, ainsi que la procédure de mise en œuvre des mélanges. Grâce au développement d'une technique innovante en microscopie électronique permettant une caractérisation précise des morphologies de mélanges fortement chargés, le rôle dominant des interactions charge/élastomère sur la localisation finale des particules est mis en évidence dans le cas où charges et élastomères sont introduits simultanément lors du mélange, indépendamment des niveaux de viscosité des phases. Les effets cinétiques ont quant à eux un rôle essentiel sur les morphologies lorsque la silice est spécifiquement prémélangée à l'une des phases. Puis dans la seconde partie de ce travail, nous nous sommes intéressés à l'impact des différentes morphologies obtenues sur les propriétés dissipatives et de renfort des matériaux. Les propriétés viscoélastiques dans le domaine linéaire des mélanges sont tout d'abord analysées. Une relation directe est établie entre la localisation de la charge entre les phases et les propriétés dissipatives et de renfort des matériaux proche de Tg. A plus hautes températures, l'état de dispersion des charges apparaît comme étant un paramètre clé sur les propriétés de renfort. Enfin, l'étude des propriétés mécaniques à plus hautes déformations (effet Payne et tests de traction) montrent une incidence de la localisation de la charge ainsi que de son état de dispersion lorsque des interactions fortes sont considérées. Ce travail a donc permis de mettre en évidence des critères de sélection des interactions et niveaux de viscosités dans des mélanges d'élastomères chargés pour contrôler la localisation des charges, et par extension modifier les propriétés dissipative et de renfort de ces mêmes matériaux / The tradeoff in tread properties is notably controlled by the dependence in frequency of rubber dissipation: a high dissipation of energy improves wet grip at high frequencies, while it may increase rolling resistance at low frequencies. Using silica instead of carbon black has enabled an improvement of this tradeoff, but the physical mechanisms responsible of these properties are still under discussion. Besides, using polymer blends is a well-known technique to obtain materials with tailored properties, allowing for example the tuning of dissipation range and mechanical properties. These unique properties depend not only on the miscibility state of rubbers, but also on rubber phase morphology and particles distribution between phases. In this context, the issue of this work is to understand which parameters enable the modification of filler location between phases, and then to identify the impact of the various morphologies on the viscoelastic and reinforcement properties. We first study the impact of fillers on blends structuration by first varying interactions parameters between the three components (polymer A, polymer B, silica) to obtain various morphologies. It also has been shown that final blends morphologies depend also on rheological parameters. Thus the impact of process and rubber viscosities is studied, in an attempt to decorrelate the influence of rheology and interactions on blend structuration. To study reinforced rubber blends morphologies, a new microscopy technique has been developed to obtain a very clear viewing of silica in the different rubber phases. Then, the blends viscoelastic properties in the linear regime are investigated. Close to Tg, a direct relationship between filler location and dissipative and reinforcement properties is established. At higher temperatures, the filler state of dispersion appears to be a key parameter on reinforcement properties. Finally, the investigation of blends mechanical properties at larger deformations shows and impact of filler location but also filler dispersion when strong interactions are involved. Thanks to the different tools developed, we define criteria to control filler location in immiscible rubber blends, which enables a modification of their dissipative and mechanical properties

L’objectif de cette thèse est le développement de matériaux polymères injectables innovants issus de ressources renouvelables et répondant aux exigences techniques automobiles. Pour cela nous nous sommes intéressés à des mélanges de polymères modèles : le polyamide 12 et l’amidon plastifié. Nos travaux ont donc porté sur l’optimisation des propriétés de ces mélanges, via le contrôle de la morphologie. Ainsi deux stratégies ont été envisagées : la compatibilisation du mélange grâce à deux agents réactifs et la modification des paramètres de mise en œuvre. Ces deux stratégies se sont révélées être efficace pour l’amélioration des propriétés des mélanges. Enfin à partir de cette étude sur les polymères modèles, des matériaux issus de ressources renouvelables ont été formulés. De même une étape de compatibilisation à partir d’une résine époxy a été envisagée permettant au final d’obtenir des matériaux ayant des propriétés optimisées. / The main objective of this work is the development of innovative materials from renewable resources for the automotive industry. Polymer blends of polyamide 12 and plasticized starch prepared through internal mixer and extruder processes, were studied as model blends. In order to improve the final properties of the blends, two strategies were considered: the compatibilization via two reactive agents and the modification of the process parameters. These strategies were proved to be truly effective to improve the properties of the blends. Finally, materials from renewable resources were processed. As well a compatibilization step thanks to a solid epoxy resin were considered to obtain materials with improved properties.

Cette étude s'inscrit dans le cadre du recyclage des déchets de polyéthylène téréphtalate (PET) qui constitue un gisement abondant en raison de son emploi dans le secteur de l'emballage. Ce polymère étant un thermoplastique, la valorisation mécanique apparaît comme une méthode de choix pour le recycler. Toutefois, en raison de sa faible viscosité et donc de sa faible "extrudabilité", nous avons décidé de l'utiliser en mélange avec le polyéthylène haute densité (PEhd). L'enjeu de nos travaux a donc consisté à trouver des solutions pour extruder le PET et ses mélanges sous forme de profilés en assurant aux matériaux extrudés de bonnes propriétés mécaniques. Pour ce faire, nous avons étudié le procédé de mise en oeuvre SCAMIA et son impact sur les mélanges PET/PEhd, et notamment le comportement rhéologique des mélanges à l'état fondu, les mécanismes d'établissement de la morphologie et les propriétés mécaniques des pièces extrudés. Nous avons montré que le procédé SCAMIA et plus précisément l'utilisation de la filière froide permettait de contrôler la morphologie du PET et de ses mélanges. La formation d'une double structure cœur/peau du PET renforcée par la présence du PEhd leur assure des propriétés mécaniques satisfaisantes sans ajout de compatibilisant.

Cette étude s’intéresse aux mélanges Polyamide 6 / Polyéthylène Haute Densité compatibilisés par voie réactive, plus particulièrement aux relations entre (1) la formulation, les paramètres de mise en œuvre en extrusion bivis corotative et (2) la morphologie et la microstructure des mélanges. Des morphologies multi-échelles ont été observées en Microscopie Électronique à Balayage et en Transmission. À l’échelle micrométrique, les morphologies suivantes ont été développées : dispersion nodulaire, nodules étirés et co-continuité. Les paramètres procédés n’influençant pas le type morphologie, les régions correspondant aux types de morphologies ont pu être rassemblées sur des diagrammes ternaires. Dans le cas des mélanges compatibilisés, deux mécanismes de formation de ces morphologies sont proposés : (1) la réaction de compatibilisation très rapide et efficace entraîne la formation de nano-dispersions par instabilités d’interface et (2) le mécanisme classique de rupture/coalescence de domaines moins riches en copolymère permet de former des morphologies jusqu’à l’échelle micrométrique. L’évolution de la taille maximale des domaines en fonction de la composition ainsi que la distribution de tailles ont été modélisés par des mécanismes de percolation. La stabilité des morphologies en statique, sous cisaillement contrôlé et au cours d’une deuxième étape de mise en forme a ensuite été étudiée. Le copolymère formé à l’interface permet de stabiliser la taille des morphologies. Enfin, une cristallisation à plus basse température a été mise en évidence en Calorimétrie Différentielle à Balayage lorsque les polymères sont confinés dans des domaines submicroniques. / This study deals with reactively compatibilized Polyamide 6 / High Density Polyethylene blends. More precisely, it focuses on the relationship between (1) the formulation, the processing parameters in corotating twin screw extrusion and (2) the morphologies and the microstructures of blends. Multi-scale morphologies were observed by Scanning and Transmission Electron Microscopy. At the micron scale, the following morphologies were developed: nodular dispersions, stretched nodules and co-continuous morphology. As the processing conditions did not influence the types of morphology, the different morphological regions were reported in ternary diagrams. In the case of compatibilized blends, two mechanisms for morphology development have been proposed: (1) the compatibilization reaction, being very fast, leads to the formation of nano-dispersions by interfacial instabilities and (2) the standard break-up/coalescence mechanism of domains poor in copolymer could lead to the formation of morphologies up to the micron scale. Both the evolution of the largest size as a function of the composition and the distribution of sizes were modeled using percolation concepts. The stability of the morphologies was then studied either during static annealing or controlled shear or in a second step processing. The copolymer formed at the interface allows stabilizing the size of the morphologies. Finally, crystallization at lower temperature was observed by Differential Scanning Calorimetry when the polymers are confined in submicron domains.

La biomasse représente l'une des principales alternatives à l'utilisation du pétrole dans la plasturgie. Grâce à leurs propriétés fonctionnelles, les caséinates sont une matière première prometteuse pour la fabrication de films plastiques pour des applications dans l'emballage biodégradable et hydrosoluble. La transformation du caséinate de sodium par les techniques habituellement utilisées dans la plasturgie a été démontrée. Des extrudats de caséinate plastifié au glycérol ont été obtenus au moyen d'une extrudeuse bi-vis corotative. La caractérisation physico-chimique du matériau obtenu a confirmé la thermostabilité de cette protéine et a montré la dépendance du comportement du matériau vis-à-vis de l'humidité ambiante. Pour une variation du taux d'Humidité Relative, de 40 à 90% et une augmentation de la concentration du glycérol, plastifiant hygroscopique, le matériau passe d'un état vitreux (rigide) à un état caoutchouteux (mou). Des films fins ont été ensuite réalisés, à partir des extrudats thermoplastiques, par extrusion gonflage. La perméabilité à la vapeur d'eau des films de caséinate de sodium a été étudiée et a montré que ces matériaux sont de mauvaises barrières à l'humidité. La deuxième partie a été consacré à l'étude de mélanges caséinate de sodium/caséinate de calcium d'un côté et caséinate de sodium/PBAT de l'autre. Le mélange des deux caséinates a permis d'augmenter la tenue mécanique du mélange, à partir de 50% de caséinate de calcium, et de retarder le transfert hydrique à travers le film. Dans le même sens, l'ajout du PBAT, a augmenté jusqu'à deux fois plus, le module d'Young des mélanges mais a baissé la résistance au transfert d'humidité du film à cause de l'incompatibilité des deux polymères.

L'objectif de notre travail de développer des multi-matériaux de type sandwich acier/polymère/acier destinés au secteur automobile en vue de l'allègement des structures. Ce nouveau matériau doit satisfaire plusieurs critères, à savoir: i) grande déformabilité à froid en vue de l'emboutissage, ii) tenue au fluage à haute température (T=200°C, étape de cataphorèse), iii) tenue en milieu agressif (chaud, humide, brouillard salin). De plus, l'adhésion polymère-métal doit être maîtrisée en vue d'éliminer les phénomènes de délamination lors de l'emboutissage des tôles. Ce sandwich doit être réalisable sur une ligne industrielle dont la température maximale de complexage est limitée à 200°C. Si une solution à chacun de ces points particuliers peut être facilement apportée, la réponse à l'ensemble de ces critères par une formulation unique est beaucoup plus complexe. Nous nous sommes focalisés sur une formulation permettant de répondre au critère de tenue au fluage pour des températures supérieures à 200°C mais dont l'adhésion à chaud sur le métal (étape de complexage sur la ligne industrielle) doit être à inférieure à cette même température de 200°C. Pour cela nous avons développé une formulation à base de polymères immiscibles polyamide 11/polyoléfine fonctionnalisée anhydride maléique compatibilisés in-situ. Nos travaux ont donc porté sur l'optimisation de cette formulation, via le contrôle de la morphologie en vue de l'élaboration d'un film ayant les caractéristiques d'un fluide polymère à contrainte seuil d'écoulement tout en ayant les propriétés d'adhésion adéquate / The aim of this work is to develop multimaterials such as steel/polymer/steel composites for weight savings in automotive industry. To fully take advantage of properties of both steel and polymer materials, adhesion steel-polymer must be well controlled. Moreover, the composite must be compatible with processing on the industrial line and last not least, the structure must be flow resistant during the cataphoresis step (Painting process at 200°C for 30 minutes). This last condition is essential and our work will focuse on the development of compatibilized polymers blend made of polyamide 11 and polyolefin grafted maleic anhydride with yield stress properties. We successfully optimize the formulation via morphological control in order to develop a yield stress fluid with good adhesive properties

La biomasse représente l’une des principales alternatives à l’utilisation du pétrole dans la plasturgie. Grâce à leurs propriétés fonctionnelles, les caséinates sont une matière première prometteuse pour la fabrication de films plastiques pour des applications dans l’emballage biodégradable et hydrosoluble. La transformation du caséinate de sodium par les techniques habituellement utilisées dans la plasturgie a été démontrée. Des extrudats de caséinate plastifié au glycérol ont été obtenus au moyen d’une extrudeuse bi-vis corotative. La caractérisation physico-chimique du matériau obtenu a confirmé la thermostabilité de cette protéine et a montré la dépendance du comportement du matériau vis-à-vis de l’humidité ambiante. Pour une variation du taux d’Humidité Relative, de 40 à 90% et une augmentation de la concentration du glycérol, plastifiant hygroscopique, le matériau passe d’un état vitreux (rigide) à un état caoutchouteux (mou). Des films fins ont été ensuite réalisés, à partir des extrudats thermoplastiques, par extrusion gonflage. La perméabilité à la vapeur d’eau des films de caséinate de sodium a été étudiée et a montré que ces matériaux sont de mauvaises barrières à l’humidité. La deuxième partie a été consacré à l’étude de mélanges caséinate de sodium/caséinate de calcium d’un côté et caséinate de sodium/PBAT de l’autre. Le mélange des deux caséinates a permis d’augmenter la tenue mécanique du mélange, à partir de 50% de caséinate de calcium, et de retarder le transfert hydrique à travers le film. Dans le même sens, l’ajout du PBAT, a augmenté jusqu’à deux fois plus, le module d’Young des mélanges mais a baissé la résistance au transfert d’humidité du film à cause de l’incompatibilité des deux polymères / Biomass is one of the main alternatives to the use of oil in plastics field. Due to their various functional properties, caseinates are considered as an interesting raw material for making biodegradable and water-soluble packaging. The transformation of sodium caseinate by the processes used for synthetic plastics industry has been demonstrated. A corotating twin-screw extruder was used to get glycerol plasticized caseinate pellets. The physicochemical properties of the obtained material have confirmed the thermal stability of this protein and demonstrated the influence of surrounding moisture on material behavior. With the Relative Humidity varying from 40 to 90% and increasing the glycerol content, an hydrous plasticizer, the mechanical properties of sodium caseinate based materials changed from those of glassy (rigid) to rubbery (soft) plastics. The pellets were then taken over to make film using a blown-film extruder. The water vapour permeability of blown film was studied and showed that sodium caseinate based films are a poor moisture barrier. The second part dealt with the sodium caseinate blend. Sodium caseinate/calcium caseinate and sodium caseinate/PBAT blends was performed. Adding calcium caseinate, started from 50%, improved the mechanical properties and delayed hydrous transfer through the film. Concerning the sodium caseinate/PBAT blends, adding PBAT increased until twice more the material’s Young modulus but decreased the moisture transfer resistance because of the incompatibility between the two polymers