Les dispositifs optoélectroniques sont devenus un élément essentiel de la technologie moderne visant à exploiter des applications de niche pour l'électronique flexible à base de composés organiques. Jusqu'à présent, les films minces préparés à partir de composés polymères conjugués ont été les principaux concurrents pour les dispositifs optoélectroniques organiques. Avec l'apparition de nouvelles méthodes de mise en œuvre et de nouveaux besoins électroniques, les méthodes de fabrication additive des matériaux optoélectroniques suscitent de plus en plus d'intérêt. Malgré l'intérêt croissant et la variété des méthodes de mise en œuvre tridimensionnelles, on comprend encore mal l'impact de la technique de mise en œuvre sur l'organisation moléculaire des échantillons. Ici, une étude est présentée impliquant l’impression 3D assistée par évaporation de solvant et le poly(3-hexylthiophène) (P3HT) qui est bien décrit dans la littérature, et, dans ce cas-ci, mélangé à diverses matrices thermoplastiques. Dans un premier temps, les matrices thermoplastiques employées, i.e. le polystyrène (PS), le polypropylène carbonate (PPC), le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) et le polyoxyéthylène (PEO) sont évaluées en fonction de leurs propriétés rhéologiques et de leur imprimabilité en 3D, qui ne sont que très peu affectées par l'introduction du P3HT. Par la suite, le P3HT à régiorégularité élevée et faible est mélangé dans chacune des matrices thermoplastiques. L'organisation moléculaire des deux composantes dans les architectures imprimées a été évaluée par des techniques de spectroscopie UV-visible et de fluorescence. Les phases en présence ont été analysées à l'aide d’analyse calorimétrique différentielle à balayage, de microscopie optique polarisée et de diffraction des rayons X, ce qui a également permis d'analyser l'état d'agrégation du P3HT par rapport à celui retrouvé dans les films minces. Il est intéressant de noter que les propriétés optiques montrent peu ou pas de différence entre les architectures 3D et les films minces, ce qui indique vraisemblablement que l'efficacité d'un dispositif optoélectronique imprimé en 3D ne serait pas affectée par l’impression 3D assistée par évaporation de solvant. Cette étude pourrait permettre de mieux comprendre comment il serait possible de mettre au point des dispositifs optoélectroniques, y compris des photoconducteurs, des photovoltaïques organiques, des transistors à effet de champ organiques, etc. à l’aide de techniques de fabrication additive, ce qui ouvrira la voie à une nouvelle ère en électronique organique imprimée en trois dimensions. / Optoelectronic devices have become a staple in modern day technology which aims to transition to flexible electronics that are developed from organic compounds. To date, 2-dimensional films of conjugated polymer compounds have been the main contender for organic optoelectronic devices. As new processing methods and electronic needs become present in the modern day, a focus on 3-dimensional processing methods of optoelectronic materials have become increasingly of interest. With the increasing interest and variety of 3-dimensional processing methods, there is little understanding of how the processing technique molecularly affects the final product. Herein is presented a study on the extrusion-based, direct-ink writing of the well understood poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) blended into a variety of thermoplastic matrices. Initially the pristine thermoplastics of polystyrene (PS), poly(propylene carbonate) (PPC), poly(methyl methacrylate) (PMMA), and poly(ethylene oxide) (PEO) were evaluated based on their rheological and printable properties which are negligibly affected by the introduction of P3HT. Subsequently, after the blending of both high and low regioregular P3HT into each of the thermoplastic matrices, the printed architectures were further analyzed by X-Ray diffraction, UV-vis, and fluorescence techniques to assess the aggregation state of P3HT in comparison to 2-dimensional processed films. Interestingly, the electronic properties show little to no difference between 3-dimensional architectures and 2-dimensional films, which presumably indicates that the efficiency would not be affected by the direct-ink writing technique. This study could contribute to the beginning of producing optoelectronic devices, including photoconductors, organic photovoltaic and organic field effect transistors, in 3-dimensions resulting in a new age of electronics.

Les Déchets d'Equipement Electriques et Electroniques (DEEE) constituent un volume important de déchets dont le constituant majoritaire est l’ABS. C’est pour cela que nous avons travaillé principalement avec des polymères provenant d’un gisement réel (carters d’ordinateurs). Puis, des mélanges ABS/PC ont été élaborés (le PC étant un des constituants d’un gisement de carters), dans le but d’obtenir un matériau avec une résilience au moins équivalente à celle d’un ABS neuf. Même si l’ABS a montré une bonne aptitude à être recyclé seul, après vieillissement et recyclage, sa résilience connaît une chute due à la dégradation de la phase élastomère et à la présence d’ignifugeants. Il est important pour le recyclage de l’ABS et de ses mélanges de séparer les polymères ignifugés de ceux qui ne le sont pas. La voie mélange pour le recyclage de l’ABS par l’ajout de PC a l’avantage de simplifier le tri et de recycler un maximum des polymères présents dans les DEEE. Nous avons tout d’abord réalisé des mélanges ABS/PC neufs pour bénéficier d’une mise en œuvre et d’une composition optimales. L’influence des paramètres du procédé de recyclage (température et vis d’extrusion) et des propriétés des matériaux (taux et viscosité du PC, retardateurs de flamme de l’ABS) sur les propriétés du mélange a été étudiée. Nous avons effectué essentiellement des essais de résistance au choc Charpy et des études morphologiques. Les résultats ont montré qu’une morphologie fibrillaire ou co-continue est favorable à la meilleure résilience des mélanges ABS/PC. Nous avons obtenu pour des mélanges neufs ABS neuf FR/PC neuf réalisés avec 70% d’ABS une résilience supérieure à celle de l’ABS neuf. Mais, à composition égale, ce résultat n’a pas été atteint pour les mélanges majoritaires en ABS recyclé. Souhaitant réaliser des mélanges performants majoritaires en ABS recyclé, la compatibilisation semble nécessaire. Un mélange recyclé majoritaire en ABS, compatibilisé avec du PP-g-MA, est montré plus résilient que l’ABS neuf seul. Toutefois, les compatibilisants ont une efficacité limitée lorsqu’ils sont en présence de retardateurs de flamme ou soumis à un temps de séjour élevé dans la presse à injecter. Nous avons voulu utiliser des nanocharges minérales (montmorillonites), ajoutées en faible quantité, en tant qu'ignifugeants et compatibilisants. Elles se sont avérées inefficaces dans les études préliminaires réalisées. Le choix des nanoargiles minérales doit être optimisé. / WEEE constitute a huge waste volume in which ABS is the major component. So, we focused on polymers from a real deposit (casing of computers); such a deposit contains ABS, PC, PS, ABS-PC. In a first step, recycling of aged ABS was studied. The decrease in the C=C content induces an impact strength drop. Nevertheless, ABS proved to be recyclable given that optimized processing conditions are found. The role of flame retardants was shown to be crucial on the recyclability. Separating polymers with or without flame retardants is the key point of the ABS recycling. However, recycled aged ABS do not recover the impact strength of neat virgin ABS. Then, ABS/PC blends were elaborated in order to obtain a material with an impact strength at least equivalent to the neat ABS. The use of ABS/PC blends for this recycling facilitates the sorting and the utilization of most of WEEE polymers. We first made ABS/PC blends from virgin polymers to have optimal processability and composition. Performing Charpy impact strength tests and morphological studies allowed to evaluate the influence of recycling process parameters (temperature and screw extrusion) and material properties (rate and viscosity of PC and ABS flame retardants). Experimental results indicate that the impact strength of the ABS/PC blends is higher when the morphology is fibrillar or co-continuous. We obtained ABS virgin FR/PC virgin blends (70/30) with an impact strength greater than the neat ABS. But, with equal composition, this result was not reached for the blends. So to achieve reliable blends rich in recycled ABS, compatibilisation is necessary. Recycled ABS/PC blends compatibilised with PP-g-MA is more resilient than the ABS. However, the compatibilising agents have a limited efficiency when they are used in the presence of flame retardants or subjected to a high residence time. Finally, nanoclays were attemptively used as both FR and compatibiliser. Tough they proved uneffective in the very first experiments carried out (the choice of clay need to be optimized).

Ces travaux menés à l’IMP@UJM ont pour objectifs la réalisation de films minces alimentaires 100% compostables par extrusion gonflage, thermoformage et biétirage. Des mélanges à base de farine plastifiée et de polyesters compostables ont été étudiés. La farine peut être déstructurée par extrusion bivis en présence de glycérol de manière similaire à l’amidon. La farine thermoplastique, ainsi obtenue, présente toutefois des différences notables avec l’amidon mais ne répond toujours pas aux applications visées. Son mélange avec des matrices polyester (PBAT et PLA) dans un procédé d’extrusion bivis a été réalisé et les morphologies caractérisées. La dispersion de la farine thermoplastique dans le PBAT, de type goutte / matrice, a été mise en étroite relation avec leur comportement rhéologique. Les propriétés mécaniques à l’état solide résultantes de ces mélanges ont été discutées en terme de microstructures, déformabilité de la phase dispersée et de l’adhésion à l’interface. Avec des charges modèles mélangées dans le PBAT et des analyses microscopiques sous déformation, le comportement mécanique de la phase dispersée a été clarifié. A l’état fondu, ces mélanges proposent des propriétés intéressantes mais limitées par les modifications de la matrice lors de son mélange avec la farine. Des défauts inhérents à la farine plastifiée et aux mélanges de polymères non compatibilisés ont été identifiés et une chimie adaptée a été développée. La polymérisation par ouverture de cycle du triméthylène carbonate à partir de fonctions hydroxyle en présence de catalyseurs organiques ou amorceurs organométalliques montre des cinétiques de réaction intéressantes pour un procédé d’extrusion réactive. Des fonctions hydroxyle modèle d’environnement chimique et stérique proche de l’amidon ont été utilisées pour l’amorçage de la polymérisation et les résultats ont été transposés aux fonctions hydroxyle de l’amidon, en présence ou non de glycérol. Une modification chimique de la farine thermoplastique, par greffage d’un polycarbonate, a donc été réalisée en extrusion réactive couplée au mélange avec le PBAT. Les effets compatibilisants ont ensuite été discutés en terme de microstructures, de réactions chimiques à l’interface farine plastifiée / PBAT et de modifications de la matrice PBAT. Les propriétés mécaniques de ces mélanges à l’état solide et fondu montrent des effets liés à la modification de l’interface / Thin compostable films for extrusion blowing, thermoforming and biaxial stretching are in the scope of these works. Blend of thermoplastic flour and compostable polyesters are proposed and studied. Corn flour can be processed in a twin-screw extruder with glycerol in a similar way than starch. Thermoplastic flour shows some differences with starch but still cannot be used in thin film applications. Thermoplastic flour was blended in a melt state with a compostable polyester matrix, PBAT. Matrix / particle morphologies were achieved and linked with individual rheological behaviour. Good global mechanical properties results from these morphologies were discussed in terms of microstructures, dispersed phase deformation under stress and interface properties. Model particles blends with PBAT and microscopical investigations confirmed the mechanical behavior of the dispersed phase. These blends still suffer from inherent problems concerning thermoplastic flour and uncompatibilized blends. A suitable chemistry was developed to overcome these defects based on monomer polymerization from starch. Ring opening polymerization of trimethylene carbonate in presence of hydroxyl functions and organic catalyst or organometallic initiators displays interesting reaction rates for a reactive extrusion process. Model co-initiators with chemical and sterical environments close to starch were used and transposed. Thermoplastic flour modification by polycarbonate grafting was achieved in a reactive extrusion process coupled with his blending in a melt state with PBAT matrix. Compatibilization effects were discussed in terms of microstructures, interface reactions and matrix modifications. Interface modifications were evidenced on mechanical properties of these blends

Cette étude décrit l’élaboration de nouveaux multifilaments textiles offrant un compromis ténacité/élasticité inédit. Ces multifilaments sont composés de mélanges de polymères immiscibles, soit PA66/élastomère soit PET/élastomère, compatibilisés tous les deux par des liquides ioniques. L’incorporation de 1%m de liquide ionique dans ces mélanges a permis de diminuer la tension interfaciale entre les polymères, permettant ainsi d’affiner les morphologies des mélanges binaires et d’améliorer les propriétés mécaniques. Cette compatibilisation a été réalisée sans augmentation de la viscosité des mélanges, critère indispensable pour conserver la filabilité des formulations. L’utilisation de liquide ionique a également permis de façonner la morphologie des mélanges en choisissant judicieusement le couple « cation/anion ». La nature du cation (phosphonium vs imidazolium) et de l’anion a été étudiée. Ainsi, des morphologies nodulaires, fibrillaires ou intermédiaires ont pu être obtenues avec des propriétés mécaniques différentes. De nombreuses formulations ont pu être filées, étirées, puis prototypées sous forme de tissus et cordages de tennis afin de tester l’apport élastique des élastomères. Les liquides ioniques capables de réagir chimiquement avec le thermoplastique ouvrent des perspectives intéressantes. / This work highlights the role of ionic liquids (ILs) as compatibilizers in immiscible polymer blends to increase the springback of polyamide or polyester multiyarns due to the presence of elastomeric nodules. The influence of ionic liquid nature on the morphology of PA66/rubber and PET/rubber blends and on thermal, rheological and mechanical properties has been investigated. The incorporation of only 1 wt% of ionic liquids leads to a decrease of interfacial tension between the polymers. The morphology of blends can be tuned by the chemical nature of ionic liquids to reduce largely the nodule size of the dispersed phase and/or to generate fibrillar shape morphology. The reduction of particles size leads to an improvement of mechanical properties with an increase of elongation at break and the same stiffness. Moreover the incorporation of IL has no effect on the viscosity of blends. Several formulations could be spun and prototypes of fabric and tennis racket strings could be made with multiyarns.

Les recherches réalisées au cours de ce doctorat portent sur l’étude et l’optimisation de mélanges de polymères, utilisés en tant qu’électrolytes solides polymères (SPEs) dans les batteries lithium et lithium-ion. Les composants de la batterie doivent pouvoir être mis en forme par un procédé sans solvant (extrusion), afin de réduire les impacts du solvant sur les propriétés de la batterie et d’optimiser la production (diminution de la toxicité et du temps de production). Pour répondre à ces objectifs, une étude a d’abord été menée sur des mélanges de polymères, sélectionnés d’après leurs propriétés individuelles, en se concentrant notamment sur les interactions entre le sel de lithium et chaque polymère. Un classement des interactions a été développé et a permis de montrer que le principal facteur les favorisant est le nombre donneur des groupements fonctionnels polaires présents sur les chaînes polymères. Enfin, les effets de ces interactions sur les phénomènes de transport ionique dans les mélanges ont été investigués. Par la suite, l’étude s’est focalisée sur les couples de polymères ayant des propriétés prometteuses et complémentaires, tels que le poly(oxyde d’éthylène) (POE) ou le polycaprolactone (PCL), qui ont des conductivités ioniques élevées, et un copolymère butadiène-acrylonitrile hydrogéné (HNBR), qui possède des propriétés mécaniques intéressantes mais une conductivité ionique limitée. Il a été conclu que ces mélanges présentent des propriétés encourageantes, comparées aux SPEs composés d’un unique polymère, telles que des conductivités ioniques élevées sur une large plage de températures, ainsi que de meilleures propriétés de stabilités mécanique et thermique. La dernière partie de ces travaux s’est portée sur l’optimisation des propriétés de ces mélanges, par une méthode innovante de réticulation sélective d’une des phases. Pour conclure ce doctorat, l’objectif final a été de réaliser un prototype performant de batterie lithium tout solide, entièrement obtenu par extrusion, et dont l’électrolyte et le liant au sein des électrodes composites sont composés des électrolytes polymères optimisés. Les résultats prometteurs obtenus ont permis la soumission d’un brevet, en association avec le partenaire industriel (TotalEnergies). / The research carried out during this PhD is focused on the study and optimization of polymer blends, used as solid polymer electrolytes (SPEs) in lithium and lithium-ion batteries. All components of the battery must be shaped by a solvent-free process (extrusion), in order to limit impacts of the solvent on the battery properties and improve the production process (reduce toxicity and production time). To achieve these objectives, a study was first conducted on a set of polymer blends, selected on the basis of their individual properties, with particular emphasis on the interactions between the lithium salt and each polymer. A ranking of the lithium salt solvating ability of these polymers was developed and revealed that the main factor affecting these interactions is the donor number of polar functional groups on the polymer backbones. The effects of these interactions on the ionic transport phenomena in blend electrolytes have been examined. Subsequent work focused on polymer couples with the most promising and complementary properties, such as poly(ethylene oxide) (PEO) or polycaprolactone (PCL), which exhibit high ionic conductivities, and a hydrogenated nitrile butadiene rubber (HNBR) with interesting mechanical properties but a lower ionic conductivity. It was concluded that these blends show encouraging properties, compared to single-polymer SPEs, such as higher ionic conductivities over a wide temperature range, as well as improved mechanical and thermal stability properties. The final research project was the optimization of these blend electrolytes using an innovative method of selective cross-linking of one of the polymer phases. The main aim of this thesis was to develop an efficient prototype of an all-solid-state lithium battery, entirely obtained by extrusion, in which both the electrolyte and the binder of the composite electrodes are composed of optimized polymer electrolytes. The promising results obtained have led to the filing of a patent, in association with the industrial partner (TotalEnergies).

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-04-06T20:12:23Z No. of bitstreams: 1 TACIANA REGINA DE GOUVEIA - TESE PPG-CEMat 2014..pdf: 4953603 bytes, checksum: ea581c261908041111cd0d411a551545 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-06T20:12:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TACIANA REGINA DE GOUVEIA - TESE PPG-CEMat 2014..pdf: 4953603 bytes, checksum: ea581c261908041111cd0d411a551545 (MD5) Previous issue date: 2014-08-28 / Capes / Os polímeros derivados do petróleo têm provocado impactos ambientais devido ao descarte inadequado. Uma alternativa para esse problema é a utilização de polímeros biodegradáveis ou a produção de blendas a partir destes polímeros. Neste trabalho, foram preparadas blendas de poli (ácido lático) - PLA, poli (caprolactona) - PCL, com três copolímeros diferentes: EMA, E-GMA e o EMAGMA que são copolímeros de etileno-acrilato de metila, etileno-metacrilato de glicidila e o terpolímero etileno-acrilato de metila-metacrilato de glicidila, respectivamente. As composições utilizadas para as blendas foram as seguintes: PLA/PCL (90/10), PLA/PCL (80/20), PLA/Copolímeros (90/10) e PLA/PCL/Copolímeros (80/10/10). Estas foram preparadas por fusão em uma extrusora de rosca dupla corrotativa e, em seguida, moldadas por injeção sob a forma de corpos de prova de tração, impacto e HDT. Todas as composições foram caracterizadas por: ensaios mecânicos de tração e impacto, temperatura de distorção térmica - HDT, calorimetria exploratória diferencial - DSC, difração de raios X - DRX, análise térmica dinâmica-mecânica - DMTA, espectroscopia na região do infravermelho por transformada de Fourier - FTIR, microscopia eletrônica de varredura - MEV, reometria de torque, ensaio reológico e reometria capilar. As propriedades mecânicas apresentaram redução nos valores do módulo e da resistência à tração e um aumento no alongamento e na resistência ao impacto para todas as composições quando comparadas com o PLA puro, com destaque para as composições que continham o copolímero EMA-GMA. A HDT não apresentou mudanças significativas para as diferentes composições em comparação com o PLA puro. O comportamento térmico e termomecânico foi avaliado por DSC e por DMTA e foi possível observar a transição térmica das blendas. Por DRX foi possível observar as fases cristalinas das blendas de PLA. A morfologia da superfície de fratura observada por MEV ilustrou que ocorreram mudanças significativas em função da composição. Os resultados de reometria de torque não apresentaram mudanças significativas no comportamento do PLA, enquanto que os resultados obtidos no ensaio reológico ilustraram aumento no módulo de armazenamento em todas as composições. A partir do ensaio de reometria capilar foi visto que houve redução da viscosidade aparente e da tensão de cisalhamento sob altas taxas de cisalhamento para todas as composições. / The polymers derived from petroleum have caused environmental impacts due to improper disposal. An alternative to this problem is the use of biodegradable polymers or blends production from these polymers. In this work, blends of poly (lactic acid) - PLA, poly (-caprolactone) - PCL, were prepared with three different copolymers: EMA, E-GMA and EMA-GMA are copolymers the ethylene-methyl acrylate, ethylene-glycidyl methacrylate and terpolymer ethylene-methyl acrylate-glycidyl methacrylate respectively. The compositions used in the blends were as follows: PLA/PCL (90/10) PLA/PCL (80/20) PLA/ Copolymer (90/10) and PLA/PCL/Copolymer (80/10/10). These were prepared by melting in an extruder twin screw co-rotating and then injection molded in the form of specimens tensile, impact and HDT. All compositions were characterized by: mechanical tensile and impact , heat distortion temperature - HDT, differential scanning calorimetry - DSC, X-ray diffraction - XRD, dynamic mechanical thermal analysis – DMTA, spectroscopy in the infrared region by transform Fourier - FTIR, scanning electron microscopy - SEM, torque rheometer, rheological testing and capillary rheometer. The mechanical properties showed reduced values of modulus and tensile strength and an increase in elongation and impact resistance for all compositions when compared with pure PLA, especially for compositions containing copolymer EMA-GMA. The HDT showed no significant changes for the different compositions compared with pure PLA. The thermal and thermomechanical behavior was evaluated by DSC and DMTA and it was possible to observe the thermal transition of the blends. XRD was possible to observe the crystalline phases of the blends of PLA. The morphology of the fracture surface was observed by SEM illustrated that significant changes as a function of composition. The torque rheometer results showed no significant change in the behavior of PLA, while the rheological test results illustrate the increase in storage modulus in all compositions. From the test capillary rheometer was seen that there was a reduction in the apparent viscosity and shear stress at high shear rates for all compositions.