Cette thèse présente la synthèse de graphène par CVD catalytique sur feuille de cuivre, wafers de silicium revêtus de nickel et sur mousse de nickel. Les dépôts ont été réalisé à partir de méthane et d'éthylène. Pour l'ensemble de ces substrats, les études faites ont permis de mieux appréhender les mécanismes de croissance et de déterminer les paramètres opératoires optimaux. Des tests applicatifs ont été effectué pour utiliser le graphène synthétisé comme électrode d'OLED et de batterie Li-ion. / This study concerns graphene synthesis by catalytic CVD (Chemical Vapor Deposition) on copper foils, silicon wafers coated with nickel and nickel foam. Deposits have been synthesized from methane and ethylene. For the whole substrates studied, the results obtained have allowed to better understand the mechanisms of nucleation/growth of graphene and to determine the optimal operating parameters. Some applicative tests have been performed in the fields of OLED and Li-ion battery.

Actuellement, les mousses de polymères thermoplastiques (ou plastiques expansés) sont utilisées dans de nombreuses applications de la vie courante. On peut les retrouver dans l’isolation, l’absorption de choc, l’emballage ou encore dans des applications spécifiques du secteur biomédical. Un des inconvénients majeurs est l’utilisation de matières synthétiques. Pour pallier cette problématique, l’utilisation de polymères biosourcés et biodégradables représente une alternative intéressante. L’objectif de ce travail est d’élaborer des mousses de PLA (poly-(acide lactique)), un polymère biosourcé, biodégradable et biocompatible. Pour réaliser ces matériaux poreux, la technique d’extrusion couplée à l’injection de CO2 supercritique est une solution performante. En effet, selon les conditions opératoires et la solubilité du CO2 dans le biopolymère utilisé, son injection dans le fourreau d’une extrudeuse va modifier les propriétés rhéologiques du polymère. Il va, de plus, jouer le rôle d’agent moussant lors de la dépressurisation que subit le polymère au cours de son passage dans la filière. L’avantage de cette technique par rapport aux techniques classiques est, qu’ici, l’agent physique moussant (le CO2) n’est pas toxique, est acceptable d’un point de vue environnemental et ne laisse aucun résidu dans le produit. Ce procédé a montré un grand potentiel pour la création de matériaux poreux avec différentes morphologies. Des mousses avec une porosité supérieure à 95 % ont pu être obtenues. À ces très hautes porosités, deux types de structure ont été observés en fonction de la température : une mousse fortement expansée radialement avec des cellules ouvertes de grande taille, ou une mousse fortement expansée longitudinalement présentant une faible teneur en cellules ouvertes de petite taille. Une étude paramétrique (T, P, % CO2), a été menée avec le PLA seul et en mélange à de l’amidon sous différentes formes. Ce dernier permet d’améliorer la biodégradabilité du PLA et de modifier son comportement durant le moussage. Afin de parvenir à une meilleure compréhension et donc une meilleure maîtrise du procédé, un modèle a été développé. Il s’appuie sur le couplage entre l’écoulement du mélange dans la filière avec les phénomènes de nucléation et croissance des bulles dans ce mélange. Il a été validé grâce à la comparaison avec les résultats expérimentaux préalablement obtenus. / Nowadays, foams of thermoplastic polymers (or expanded plastics) are used in many applications of day life. They can be found in insulation, shock absorption, packaging or biomedical specific applications. One of the major drawbacks lies in the use of synthetic materials. To overcome this problem, the use of biobased and biodegradable polymers represents an interesting alternative.The aim of this work is to elaborate foams with the biopolymer poly(lactic acid), PLA. To manufacture such a porous material, the process of extrusion assisted by supercritical CO2 is an efficient solution. Indeed, depending on operating conditions and CO2 solubility in the biopolymer, its injection in the barrel of an extruder modifies the rheological behaviour of the polymer. It also plays the role of an expansion agent during the depressurization undergone by the polymer while flowing through the die. The main advantages in comparison with traditional methods, are that, here, the physical blowing agent (CO2) is not toxic, environmentally friendly while leaving no residue in the final product. This process shows great potential for the creation of porous materials with different morphologies. Foams with porosity as high as 95 % have been produced. For such a high porosity, two structures have been observed: foams with a large radial expansion with only open cells of large size, or foams with a large longitudinal expansion with low content of open cell having small size. A parametric study (T, P, CO2 %) was conducted with PLA both pure and mixed with starch in various forms. The latter makes it possible to improve the biodegradability of the PLA and to modify its behaviour during the foaming. Modelling of the process could allow a better understanding. A model based on the coupling between the polymer flow in the die with the nucleation and growth phenomena, has been developed. It has been validated by comparison with the experimental results previously obtained.

Les mousses d’émulsions sont des systèmes complexes de bulles d’air et de gouttes d’huile dans l’eau. Ils sont omniprésents dans la vie de tous les jours mais leur stabilité n’est encore pas parfaitement comprise. L’objet de cette thèse expérimentale est de caractériser les propriétés rhéologiques et de comprendre les mécanismes de vieillissement de tels matériaux. Dans une première partie, j’étudie l’élasticité d’émulsions attractives dans lesquelles ont vient inclure des bulles d’air. Mes résultats montrent que si les bulles d’air sont plus rigides que l’émulsion (haute pression de Laplace), les inclusions ont pour effet le renforcement de la matrice élastique et ce phénomène peut être décrit par des modèles micromécanique. Toutefois, si les bulles sont trop petites, les prédictions ne fonctionnent plus et la restructuration des bulles et des gouttes a pour effet d’augmenter davantage le module élastique. Dans une seconde partie, j’étudie la déstabilisation de ce même système modèle par la gravité menant des études systématiques du crémage de l’émulsion et du drainage dans la mousse. J’ai monté une expérience permettant de quantifier temporellement les fractions liquides des trois fluides que sont l’huile, l’eau et l’air et décelé trois régimes dans le drainage des mousses d’émulsions. Dans un troisième temps, j’étudie le mûrissement dans les fluides visqueux dans un cas de figure modèle où la perméabilité des films et la diffusion du gaz sont négligeables afin de mettre en évidence à la fois théoriquement et expérimentalement des temps caractéristiques de relaxation des bulles en fonction de la rhéologie de la phase continue. Ces travaux de thèses permettraient de pouvoir fabriquer des mousses très stables ou des émulsions moussées plus légères et plus rigides. / Foamed emulsions are complex systems composed of air bubbles and oil droplets in water. They are ubiquitous in our daily life but their stability is still poorly understood. The aim of this experimental thesis is to characterize the rheological properties and to understand the mechanisms of ageing of such materials. In the first part, I study the elasticity of attractive emulsions in which air bubbles are included. Our results show that if the air bubbles are slightly stiffer than the emulsion (high Laplace pressure), one can observe a volume fraction dependent reinforcement of the elastic matrix that can be fully described by micromechanical models. However, below a certain size, the predictions don’t work anymore and air bubbles can restructure the emulsion and further increase its elastic modulus. In the second part, I study the gravity driven destabilization of the same system through systematic experiments of emulsion creaming and drainage of the foam. I set up an experiment to quantify the evolution of the three fluid fractions (oil, water and air). I show the existence of three drainage regimes with foamed emulsions. Thirdly, I study bubble coarsening in viscous fluids using a model experiment where the permeability of the films and the diffusion of the gas can be neglected. Combining theoretical predictions and experiments, I estimate the characteristic relaxation times that are due to the rheology of the continuous phase. These results could give insights for manufacturing new materials such as very stable foams or light and rigid foamed emulsions.

Le principe d’élaboration des mousses de silicone est basé sur une compétition entre deux réactions mettant en jeu les fonctions hydrogénosilane portées par le polymère précurseur : la première provoque le dégagement d’un gaz (à l’origine de la formation des cellules) et la deuxième, l’hydrosilylation, bien connue et maîtrisée dans les silicones, conduit à la réticulation du milieu réactionnel. De ce fait, le contrôle des propriétés finales de la mousse nécessite la maîtrise de ces deux cinétiques de synthèse du gaz et de réticulation. D’autre part, les propriétés finales des mousses (type de porosité, densité apparente,…) dépendent également de la rhéologie (propriétés élongationnelles adéquates) ainsi que des charges ajoutées à la formulation. L’étude de la nucléation et la croissance cellulaire a été faite sous microscope optique. Les résultats montrent que le phénomène fondamental contrôlant la croissance des bulles est la coalescence. Sous l’influence couplée des effets de surface et viscoélastiques, les bulles se rapprochent et se déforment pour donner naissance à une forme intermédiaire avant d’atteindre leur forme finale. D’autre part, on a montré que l’air initialement dissous dans les formulations ainsi que l’air introduit par agitation permettent de réduire l’effet de peau, d’avoir une distribution de taille homogène et une meilleure structure cellulaire. D'autres facteurs ont également été étudiés dans le but de rendre la distribution de taille plus homogène et améliorer certaines propriétés / A foam sample is assumed to be a set of bubbles embedded into a polymeric matrix with an initial gas overpressure. Silicon foams are produced by a competition between two reactions involving the hydrogenosilane functions carried by the polymer precursor: the first reaction generates gas (initiating cell formation) while the other one, hydrosilylation, well known and controlled in silicon, leads to the crosslinking of the rising foam. Thus, obtaining enhanced foam properties requires a good balance between two reactions, crosslinking and gas generation. On the other hand, the final characteristics of the foam (porosity, bulk density…) largely depend on the rheology of the mix (appropriate elongational properties) as well as the added fillers. Nucleation and cell growth were carried out under optical microscopy. The experiments show that the main phenomenon controlling cell growth is bubble coalescence. Due to the surface effects and the viscoelastic properties, bubbles approach from each other and get deformed giving birth to an intermediate shape before reaching their final geometry. Many parameters have direct effect on foam properties. In fact, dissolved gas in formulas as well as the air introduced during manual mixing, reduce the skin effect and guarantee a homogeneous cell size distribution and a better foam structure. Other factors have also been studied in order to render size distribution more homogeneous and improve certain properties

La première partie de ce travail recense les différentes technologies permettant de générer des mousses silicone. Des généralités sur les émulsions, sur la génération de matériaux poreux à base d’émulsions inverses concentrées, ainsi que sur le principe d’inversion de phase d’une émulsion par élévation de température sont discutées. La production de mousses silicone à partir d’émulsions a été retenue pour sa polyvalence. Des mousses ont donc été synthétisées à partir d’émulsions inverses concentrées dans un premier temps. La variation de la formulation et des paramètres de procédé ont permis de mieux appréhender les phénomènes qui gouvernent les morphologies finales des mousses. Les limites rencontrées avec les émulsions inverses (viscosité élevée, « pot life » court etc.) ont orienté notre choix sur la technologie d’inversion de phases d’émulsions directes. Nous nous sommes attardés sur la compréhension du phénomène d’inversion de phase ainsi que sur la température de point de troubles des tensioactifs afin de comprendre son influence sur les morphologies des mousses générées. Enfin les enductions ont permis de générer des films de mousse légers, fins, homogènes et à porosité ouverte après avoir réglé des problèmes de stabilité en adaptant notamment le protocole d’émulsification. / The first part of this work lists the various technologies that make possible the formation of silicone foams. Global knowledge on emulsions, on the generation of porous materials emulsion templated, as well as on the principle of emulsion phase inversion temperature (PIT) are discussed. The production of silicone foams from emulsions has been retained for its versatility. Foams were synthesized from concentrated inverse emulsions at first. The variation of the formulation and the process parameters made it possible to better understand the phenomena which govern the final morphologies of the foams. The limits encountered with inverse emulsions (high viscosity, short pot life, etc.) have led us to move our approach to phase inversion temperature technology of oil-in-water emulsions. We then focused on the comprehension of the phase inversion phenomenon, as well as on the surfactant cloud point temperature, in order to understand their influence on the morphologies of the generated foams. Finally, the coating process allowed the production of thin, light, homogeneous and open-porous foams after having solved stability issues, in particular by adapting the emulsification protocol.

Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été consacrés à la compréhension du procédé de fabrication des mousses phénoliques et de la chimie associée, dans le but de proposer des modifications de la formulation permettant l’amélioration de ses propriétés mécaniques (friabilité et comportement en compression). Dans un second temps, les propriétés mécaniques en compression, en flexion et la friabilité ont été caractérisées en fonction de la densité relative de la mousse. Les caractéristiques de compression ont été modélisées et comparées aux modèles de Gibson et Ashby. Les résultats montrent que le module d’Young et la contrainte au plateau de compression sont des fonctions quadratiques de la densité relative. Le comportement thermique de la mousse phénolique a été également étudié. L’évolution de la structure chimique des résidus obtenus après différents traitement thermique a été suivie par IRTF. Les observations spectrales ont été interprétées en fonction des réactions de dégradat ion proposées dans la littérature. Les paramètres cinétiques de dégradation de la mousse phénolique ont été déterminés grâce à différentes méthodes dites « model-free kinetic» développées par Flynn-Wall-Ozawa, Kissinger-Akahira-Sunose et Friedman. Finalement, dans une première approche, nous avons essayé de déterminer les paramètres cinétiques, en condition isotherme, du phénomène d’oxydation qui apparait à faible température / The following work has been devoted to the understanding of the phenolic foam manufacturing process and the associated chemistry, to propose modifications of the formulation itself that allows an enhancement in mechanical properties (friability and compression behavior). In addition, these mechanical properties in compression, bending and brittleness were characterized as a function of the foam relative density. Compression properties were modeled and compared to the Gibson and Ashby models. Results show that Young's modulus and collapse plateau stress are quadratic functions of the relative density. Moreover, the thermal behavior of the phenolic foam was also studied. The evolution of the chemical structure of the obtained residues after different thermal treatment was followed by FTIR. Spectral observations were interpreted according to the degradation reactions proposed in the literature. The kinetic parameters of phenolic foams degradation have been determined using different "mo del-free kinetic" approaches, developed by Flynn-Wall-Ozawa, Kissinger-Akahira-Sunose and Friedman. Finally, in a first approach, we tried to determine the kinetic parameters, in isothermal condition, of the oxidation phenomenon that appears at low temperature

White Spot lesions are a common iatrogenic occurrence on patients who are treated with fixed orthodontic appliances. There is a dynamic chemical interaction between enamel and saliva at the tooth surface that allow a lesion to have phase changes involving demineralization of enamel and remineralization. This is due to calcium and phosphate dissolved in saliva that is deposited onto the tooth surface or removed depending on the surrounding pH. Caseinphosphopeptide-amorphous calcium phosphate (CPP-ACP) is gaining popularity in dentistry as a way to increase the available level of calcium and phosphate in plaque and saliva to improve the chemical gradient so that if favors remineralization. The aim of our investigation is to search the available current literature and formulate a recommendation for use of CPP-ACP in orthodontics. Publications from the following electronic databases were searched: PubMed, Web of Science, Cochrane Library and Science Direct. Searches from August 2010 to April 1st 2012 were performed under the terms "MI Paste OR Recaldent OR caseinphosphopeptide-amorphous calcium phosphate OR CPP-ACP or tooth mousse". The searches yielded 155 articles, These were reviewed for relevance based on inclusion and exclusion criteria. Articles with inappropriate study design or no outcome measures at both baseline and end point were also excluded. 13 articles were deemed of relevance with a high quality study design and were included in this study for evaluation. The current literature suggests a preventative treatment regimen in which MI Paste Plus is used. It should be delivered once daily prior to bed after oral hygiene for 3 minutes in a fluoride tray, throughout orthodontic treatment. It should be recommended for high risk patients determined by poor oral hygiene, as seen by the inability to remove plaque from teeth and appliances. This protocol may prevent or assist in the remineralization of enamel white spot lesions during and after orthodontic treatment. / Oral Biology

L'expérience réalisée de l'hiver 2003-2004 à l'été 2005 sur l'utilisation de mousse liquide comme matériau de couverture de serre a permis de démontrer l'efficacité de la technologie comme isolation thermique en hiver et comme écran solaire en période estivale. Deux expériences comparatives sur une période de deux ans ont été effectuées dans des serres de recherche. Une serre expérimentale (S.Exp.) équipée d'un système d'injection de mousse et une serre référence (S.Réf.), sur le campus de l'Université Laval à Québec ont servi aux expérimentations. Les résultats de cette étude démontrent qu'il est possible de réduire la consommation d'énergie de l'ordre de 40 % à 60 % en période hivernale et qu'il est possible de diminuer la pénétration d'énergie solaire de l'ordre de 10 % à 30 % en période estivale en plus de réduire la température de l'air de l'ordre de 4,0 °C. De plus, la mousse liquide réfléchissait une partie de l'éclairage artificiel et augmentait la lumière totale utile pour la croissance des plants de tomates.

La lyophilisation des produits liquides dans le domaine alimentaire s'étend du jus de fruit aux bactéries lactiques. Le procédé coûte cher à cause de l'utilisation du vide durant un long temps de séchage. Or, une diminution du temps de séchage permet de diminuer le coût du procédé. Le moussage, considéré favorable pour le séchage à air chaud, est ainsi utilisé pour accélérer le procédé de lyophilisation du jus de pomme, pris comme aliment modèle, tout en gardant les qualités sensorielles et nutritionnelles. Cette thèse comprend quatre volets : (i) une caractérisation physique et rhéologique des mousses en déterminant les paramètres de moussage adéquats (choix et concentration des agents moussants, temps de fouettement) pour avoir la stabilité lors de la lyophilisation, (ii) une étude de l'effet du moussage sur la cinétique de lyophilisation (teneur en eau et température tout au long du procédé), (iii) modélisation de la cinétique de lyophilisation par application du réseau de neurones artificiels et optimisation de l'épaisseur d'échantillon pour accroître la capacité de production, et finalement (iv) une étude de la perte de qualité après la lyophilisation et sur la stabilité des produits lyophilisés lors du stockage. Les résultats de cette recherche ont permis d'abord de quantifier les concentrations de méthylcellulose (1%) et blanc d'oeuf (3%) nécessaires pour avoir des mousses stables (minimum de drainage) face à la lyophilisation. Il a été possible de déterminer à partir des études rhéologiques que les mousses les plus stables n'ont pas nécessairement un comportement solide. Un modèle de solidité en fonction de la fraction d'air et de la taille de bulles a été développé à partir des données expérimentales. L'effet du moussage rend la cinétique de lyophilisation plus rapide à la même épaisseur. Cependant, dû à la faible masse volumique des mousses, la capacité de production n'est pas nécessairement plus rapide que dans le cas de lyophilisation traditionnelle. L'application du réseau de neurones artificiels a permis de modéliser avec exactitude la température et la cinétique de séchage durant la lyophilisation des mousses. Une optimisation faite en utilisant ce modèle a montré que l'épaisseur minimale pour augmenter en même temps la cinétique de lyophilisation et la capacité de production, était trop grande pour être réaliste. L'addition d'agent moussant (polysaccharide ou protéine) rend les mousses plus hygroscopiques par rapport au jus de pomme sans moussage mais augmente, par contre, leur température de transition vitreuse. Ainsi les jus de pomme avec moussage sont plus stables thermiquement. Une faible diminution de la qualité sensorielle et nutritionnelle des jus des pommes mousses par rapport aux produits sans moussage a été constatée après le procédé de lyophilisation. Néanmoins, durant l'entreposage à température ambiante, les produits mousses se sont montrés plus stables que ceux sans mousser.

La flottation en colonne est un système multivariable complexe avec une dynamique incertaine et non linéaire qui subit l'effet de perturbations non mesurées. Son optimisation est donc un défi d'envergure. Avec les techniques d'optimisation en temps réel, l'hypothèse que le système est en régime permanent alors qu'il est constamment perturbé limite la fréquence d'optimisation. Les systèmes hiérarchisés de commande permettent de prendre en compte l'incertitude et la complexité du procédé. Une approche courante pour optimiser indirectement l'opération des procédés de flottation consiste à mesurer et à réguler des variables secondaires qui sont fortement corrélées aux variables de performance. Ce projet couvre deux sujets importants. Le premier aspect est le développement d'algorithmes d'estimation des variables secondaires. Des techniques permettant l'estimation de la profondeur d'écume et du différentiel d'eau basées sur des mesures de conductivité sont développées. Un observateur dynamique non linéaire de la concentration en moussant fut également conçu, conduisant à des erreurs de 1 ppm. Finalement, un modèle de mélange Gaussien (Gaussian mixture model) a permis la mesure en-ligne de la distribution de dimension des bulles à partir d'un système d'imagerie. Le deuxième sujet est la conception de stratégies de commande visant l'optimisation indirecte du procédé. Une commande prédictive qui optimise indirectement la colonne en maximisant le taux de rétention d'air tout en assurant un différentiel d'eau positif est premièrement décrite. Une commande à modèle interne basée sur un modèle de Wiener fut également conçue pour réguler la dimension des bulles. Un barbotteur ("frit and sleeve") permet la régulation de la dimension de bulles de façon indépendante du débit superficiel du gaz, une étape clé pour contrôler le taux surfacique de bulles. Ces expériences illustrent que le taux de rétention d'air et le taux surfacique de bulles sont fortement corrélés démontrant qu'ils peuvent tous deux être employés à des fins de commande. Finalement, la commande de la distribution de la dimension des bulles est explorée. L'emploi d'un modèle de mélange Gaussien pour représenter la distribution de la dimension des bulles permet de transformer un problème d'ordre infini en une situation qui permet l'utilisation de méthodes classiques de commande