L'une des meilleures alternatives actuelles pour prévenir et/ou réduire les déchets d'emballages est le recours aux polymères renouvelables et biodégradables. Ainsi, il existe un intérêt croissant d'améliorer les emballages existants tels que les emballages multicouches plastiques. Ces derniers contiennent différentes couches de polymères, chacune répondant à un besoin différent comme barrière aux gaz, propriétés mécaniques, qualité du scellage, etc. Pour assurer une barrière à l'oxygène, les polymères utilisés sont généralement des polymères très peu perméables tel que l'alcool éthylène vinylique (EVOH) et le nylon. Cela présente toutefois des inconvénients tels que le coût et la non recyclabilité de l'emballage. Rapportés comme étant les matériaux du 21ème siècle, les polymères nanocomposites (PNCs) sont des alternatifs prometteurs à ces matériaux d'emballages plastiques en raison de leurs caractéristiques écologiques favorables. C'est dans cette optique qu'on a développé dans ce travail des films d'emballages bicouches et quadricouches dégradables à haute barrière à l'oxygène à base de l'alcool polyvinylique (PVA), le chitosane (CS) et d'argile (montmorillonite, MMT). Ce dernier a été choisi comme charge en raison de sa disponibilité et de son prix abordable. En utilisant la technique de dépôt 'Layer-by Layer (LbL)', deux types de films avec du PVA comme couche principale sont développés; l'un avec la MMT et l'autre avec le CS. Les films bicouches et quadricouches étudiés diffèrent non seulement par le nombre de couches de l'unité répétitive (deux et quatre respectivement) mais aussi de la teneur en MMT et en CS dans chaque films. Les films obtenus sont caractérisés par diffraction des rayons X (DRX), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la diffraction des rayons X à grand angle (WAXD), etc. Cette dernière a révélé que les films obtenus par la méthode 'Spin coating-LbL' présentent une bonne orientation de la macromolécule et des nanoplaquettes de MMT avec des interactions électrostatiques intéressantes. Les études de l'angle de contact (CA) et de la perméabilité à l'oxygène (PO) ont montré que les films quadricouches sont plus hydrophobiques avec des valeurs de PO considérablement réduites. Par conséquent, ils sont des candidats prometteurs pour une application dans l'emballage alimentaire. / One of the best alternatives to reduce current packaging waste is the use of biodegradable polymers. Thus, with the urgent need for green materials, there is a growing interest for the improvement of the existing packaging, such as the multilayer packaging. This packaging has different layers of polymers, each one fulfilling a different need like gas barrier, mechanical properties, and saleability. To ensure the oxygen barrier, a higher barrier polymer, like ethylene vinyl alcohol (EVOH) and Nylon, is generally used. This, however, has some drawbacks, such as the cost and the non recyclability of the packaging. Reported as the materials of the 21st century, polymer nanocomposites (PNCs) are promising alternatives to these plastic packaging materials due to their favorable ecological characteristics. To this aim, we have focused in this work on the development of multilayer films using spin coating assisted layer-by layer assembly technique (LbL). To provide a deeper understanding of the effect of macromolecule and nanoclay platelets orientation on barrier properties, two polymers were chosen to study hydrogen bonding based films: polyvinyl alcohol (PVA) and chitosan (CS). MMT was chosen as a filler because of its availability and affordable price. Using the LbL deposition technique, two different structures, bilayers and quadlayers films were investigated, which differ in the layers number of the repetitive unit (two and four, respectively). Two types of films were developed: PVA/MMT and PVA/CS. For the bilayer structures, two layers were deposited, one composed of PVA and one of MMT for PVA-MMT films and one of PVA and one of CS for PVA-CS films. For the quadlayer structure, four alternated layers are prepared; two composed of PVA and two of MMT for PVA-MMT-PVA-MMT films, and two composed of PVA and two of CS for PVA-CS-PVA-CS films. All films were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), wide-angle X-ray diffraction (WAXD), etc. The WAXD characterization showed a parallel orientation of the macromolecule and of MMT clay nanoplatelets. The contact angle (CA) and oxygen permeability (PO) characterizations showed that all quadlayers films are hydrophobic and their permeabilities are reduced compared to neat PVA. Therefore, as results, quadlayers films appear to be good candidates for food packaging applications.

Nanocrystalline cerium oxide thin films on metal and semiconductor substrates have been fabricated with a novel electrodeposition approach - anodic oxidation. X-ray diffraction analysis indicated that as-produced cerium oxide films are characteristic face-centered cubic fluorite structure with 5 ~ 20 nm crystal sizes. X-ray photoelectron spectroscopy study probes the non-stoichiometry property of as-produced films. Raman spectroscopy and Scanning Electron Microscopy have been applied to analyze the films as well. Deposition mode, current density, reaction temperature and pH have also been investigated and the deposition condition has been optimized for preferred oriented film formation: galvanostatic deposition with current density of -0.06 mA/cm2, T > 50oC and 7 < pH < 10. Generally, potentiostatic deposition results in random structured cerium oxide films. Sintering of potentiostatic deposited cerium oxide films leads to crystal growth and reach nearly full density at 1100oC. It is demonstrated that in-air heating favors the 1:2 stoichiometry of CeO2. Nanocrystalline cerium oxide powders (4 ~ 10 nm) have been produced with anodic electrochemical synthesis. X-ray diffraction and Raman spectroscopy were employed to investigate lattice expansion phenomenon related to the nanoscale cerium oxide particles. The pH of reaction solution plays an important role in electrochemical synthesis of cerium oxide films and powder. Cyclic voltammetry and rotation disk electrode voltammetry have been used to study the reaction mechanisms. The results indicate that the film deposition and powder formation follow different reaction schemes. Ce(III)-L complexation is a reversible process, Ce3+ at medium basic pH region (7~10) is electrochemically oxidized to and then CeO2 film is deposited on the substrate. CE mechanism is suggested to be involved in the formation of films, free Ce3+ species is coordinated with OH- at high basic pH region (>10) to Ce2O3 immediately prior to electrochemically oxidation Ce2O3 to CeO2. CeO2 / montmorillonite nanocomposites were electrochemically produced. X-ray diffraction and Raman spectroscopy illustrate the retaining of FCC structure for cerium oxide. Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Differential Scanning Calorimetry of composites indicate the insertion of montmorillonite platelets into the structural matrix of cerium oxide. Sintering study of the nanocomposites demonstrates that low concentration of montmorillonite platelet coordination into cerium oxide matrix increases crystal growth rate whereas high concentration of montmoillonite in nanocomposites retards the increase of crystallite size during the densification process.

Ce travail de thèse porte sur l'élaboration d'un matériau composite à matrice thermodurcissable incorporant des renforts nanométriques et/ou une phase élastomère, permettant d'améliorersa rigidité, son amortissement et sa résilience. Pour cela, nous avons réalisé des formulations baséessur des matrices époxyvinylester, renforcées ou non par une phase élastomère et chargées de montmorillonite ou de sépiolite. Nous avons étudié leurs propriétés visco-élastiques par analyse modaleexpérimentale et leurs propriétés à l'impact par des essais d'impact par chute de masse. Nous avonsdéterminé la microstructure des composites fabriqués en nous appuyant sur la diffraction des rayonsX et des observations en microscopie électronique. Des modèles d'homogénéisation, fondés sur lemodèle de H ALPIN -T SAI et adaptés aux matériaux composites étudiés, ont été développés afin dedisposer d'un outil permettant de relier explicitement la rigidité des composites à leur morphologie.Une analyse paramétrique approfondie a permis de déterminer les caractères morphologiques lesplus influents et d'évaluer la performance des procédés de mise en œuvre au regard des renforcements mécaniques obtenus. Expérimentalement, l'incorporation de montmorillonite ou de sépiolite a conduit à une augmentation significative du module élastique et la présence d'une phase élastomère dans la résine a permis de doubler l'amortissement et d'augmenter la résilience. Finalement, les formulations les plus performantes ont été retenues pour la fabrication de composites renforcés de fibres de verre. L'amélioration des propriétés mécaniques se retrouve, dans une moindre mesure, dans lesprototypes réalisés. La pertinence de l'utilisation de ces matériaux à l'échelle industrielle a été évaluée. / This thesis focuses on the development of a thermosetting matrix composite incorporating nanoscale reinforcements and/or an elatomeric phase to improve its stiffness, damping and resilience.To do so, we made formulations based on epoxy vinyl ester matrices, filled or not by an elastomeric phase, and reinforced with montmorillonite or sepiolite. Their viscoelastic properties were studied usingexperimental modal analysis and their impact properties were investigated using drop weight impacttesting. The microstructure of these composites was examined using X-ray diffraction and electronmicroscopy observations.Homogenization models based on H ALPIN -T SAI model and adapted to the studied composites were developed to provide a tool able to explicitly link the stiffness of the material to its morphology.A detailed parametric analysis allowed to determine the most influential morphological characteristics and to assess the efficiency of the process regarding the mechanical stiffening obtained.Experimentally, the incorporation of montmorillonite or sepiolite led to a significant increase in the elastic modulus and, with the presence of an elastomeric phase in the resin, the damping was doubled and the resilience was increased.Finally, the most efficient formulations were used to manufacture glass fibers reinforced composites.The improvement in mechanical properties was found, to a lesser extent, for the manufactured prototypes.The relevance of the use of these materials on an industrial scale was evaluated.

In the oil and gas industry, high corrosion resistance and hardness are needed to extend the lifetime of the coatings due to exposure to high stress and salt environments. Electrodeposition has become a favorable technique in synthesizing coatings because of low cost, convenience, and the ability to work at low temperatures. Electrodeposition of metal matrix composites has become popular for enhanced corrosion resistance and hardness in the oil and gas industry because of the major problems that persist with corrosion. Two major alloys of copper-nickel, 90-10 and 70-30, were evaluated for microbial corrosion protection in marine environments on a stainless steel substrate. Copper and copper alloys are commonly used in marine environments to resist biofouling of materials by inhibiting microbial growth. Literature surveying the electrodeposition of Cu-Ni incorporated with nano- to micro- particles to produce metal matrix composites has been reviewed. Also, a novel flow cell design for the enhanced deposition of metal matrix composites was examined to obtain the optimal oriented structure of the layered silicates in the metal matrix. With the addition of montmorillonite into the Ni and Cu-Ni matrix, an increase in strength, adhesion, wear and fracture toughness of the coating occurs, which leads to an increase corrosion resistance and longevity of the coating. These coatings were evaluated for composition and corrosion using many different types of instrumental and electrochemical techniques. The overall corrosion resistance and mechanical properties were improved with the composite films in comparison to the pure metals, which proves to be advantageous for many economic sectors including the oil and gas industry.

During the last years rubber nanocomposites obtained by incorporating anisotropic clay nanoparticles within a rubber matrix to tailor material properties have attracted steadily growing interest. However, one main complication preventing rubber-clay nanocomposites from many potential applications is the difficulty to achieve a high degree of exfoliation particularly in case of melt mixing or compounding (using mixing equipment like internal mixer, two roll mills which can be up-scaled in industry). Albeit commercially available organomodified montmorillonite clays (OMt) are fairly compatible with the polar rubber like Acrylo-nitrile butadiene rubber (NBR), carboxylated nitrile rubber (XNBR), chloroprene rubber (CR) etc., its dispersion in non-polar rubbers like natural rubber (NR), is rather unsatisfactory. Incorporation of only 5 phr of OMt in NR by mechanical mixing leads to very poor dispersions with larger aggregates. Large agglomerates of OMt were observed with bare eyes throughout the matrix. Even in the TEM micrographs, highly agglomerated structures of clay particle were observed. A high degree of exfoliation of such clay is achieved in NR utilizing the so called ‘Propping-open approach’ where stepwise expansion of interlayer spacing of Mt took place. A series of long chain fatty acids (C16-C22) are intercalated into the interlayer space of OMt and a gradual expansion of the interlayer space were observed as the chain length of the fatty acid increased. Wide angle X-ray diffraction (WAXD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and contact angle measurement indicated successful intercalation of the fatty acids into the interlayer space of the clay minerals. Since the fatty acid containing 22 carbon atoms has the largest interlayer distance among the modified samples studied, it has been selected for further study to understand the reinforcing behavior in NR matrix. An unusual mechanical percolation behavior of EOMt nanoparticles was observed in a NR matrix. The value of the mechanical percolation threshold (φp) and the fractal nature of nanoparticle clusters were determined through an analysis of the experimental data based on a theory put forward by Huber and Vilgis. This phenomenon was discussed in terms of fractal dimensions of the nanoparticle cluster. The impact of filler dispersion and rubber-filler interactions on the viscoelastic behavior of NR nanocomposites was systematically investigated. Significant non-linear viscoelastic behavior (Payne effect) was observed at very low EOMt content. Kraus and Maier-Göritz models were utilized to interpret such non-linear viscoelastic behavior. The nanocomposites showed enormous improvement in different physic-mechanical properties in the presence of EOMt. Technical elastomers are generally filled with certain fillers (e.g. carbon black) in order to reinforce the rubber matrix for some typical applications like tires, conveyer belts etc. Such rubber goods are always exposed to cyclic stress and deformations attributed to their dynamic application. Under constant and repeated applied stress, cracks develop at a stress concentration point, which could lead to ultimate failure. Therefore, the crack initiation and propagation behavior in such rubber products is very fundamental and need proper attention. The role of EOMt nanoparticles on the microstructure and fracture mechanical behavior of CB filled NR composites was investigated. Using pure-shear test specimen tear fatigue analysis (TFA) tests under cyclic conditions were carried out to explicate the crack growth behavior of CB filled NR in the presence of EOMt. A significant reduction in crack growth rate was noticed in the presence of only 5 phr of EOMt. Furthermore, instrumented tensile-impact tests (IT-IT) were also performed for the characterization of the crack resistance of the materials under impact-like loading conditions. / Die Einarbeitung von nur 5 phr organisch modifizierten Montmorillonite (OMt) in Naturkautschuk (NR) durch mechanisches Mischen führt zu einer sehr schlechten Verteilung mit größeren Aggregaten. Große Agglomerate von OMt waren mit bloßem Auge in der NR Matrix sichtbar. Sogar in TEM Aufnahmen wurden stark agglomerierte Strukturen beobachtet. Ein hoher Grad der Exfolierung von diesem Clay in NR wird durch die Nutzung des so genannten ‘Propping-open’ Ansatzes erreicht, in dem eine stufenweise Aufweitung des Zwischenschichtabstandes des OMt stattfindet. Eine Reihe langkettiger Fettsäuren (C16 – C22) wurde in die Zwischenschicht des OMt eingefügt. Mit zunehmender Kettenlänge der Fettsäuren wurde eine allmähliche Aufweitung der Zwischenschicht beobachtet. Da OMt, der mit einer Fettsäure mit 22 Kohlenstoffatomen modifiziert wurde, den größten Zwischenschichtabstand aller untersuchten Proben hatte, wurde diese Fettsäure für die weiteren Untersuchungen ausgewählt, um das Verstärkungsverhalten in der NR Matrix zu verstehen. Ein ungewöhliches Perkolationsverhalten der expandierten OMt (EOMt) Nanopartikel wurde in einer NR Matrix beobachtet. Der Wert der mechanischen Perkolationsschwelle (φp) und die fraktale Natur der Nanopartikel Cluster wurden durch eine Analyse der experimentellen Daten bestimmt, wobei eine Theorie, die von Huber und Vilgis vorangetrieben wurde, zur Anwendung kam. Dieses Phänomen wurde in Bezug auf die fraktalen Dimensionen der Nanopartikel Cluster diskutiert. Die Einfluss von EOMt Nanopartikel auf die Mikrostruktur und das mechanische Bruchverhalten von russgefüllten NR Kompositen wurde untersucht. Unter Verwendung reiner Schertestproben wurden Rissermüdungsanalysen unter zyklischer Belastung ausgeführt, um das Risswachstumsverhalten von russgefülltem NR in der Gegenwart von EOMt zu untersuchen und zu erklären. Eine signifikante Reduktion der Rissausbreitungsrate wurde in Gegenwart von nur 5 phr EOMt erreicht. Des Weiteren wurden auch instrumentierte Schlagzugprüfungen zur Charakterisierung des Risswiderstandes von Materialien unter schlagartigen Belastungsbedingungen durchgeführt.

L’étude de l’adsorption et de la mobilité des ions dans les argiles est importante pour mieux appréhender de nombreux processus géochimiques et environnementaux, de même que pour prédire le comportement des radionucléides dans les conditions du stockage géologique. A cause de leurs tailles très petites (< 2μm), il n’est pas toujours évident d’étudier les argiles à l’aide des méthodes et techniques expérimentales existantes. L’une des alternatives à ce problème consiste alors à utiliser la modélisation moléculaire pour les étudier. En plus de leurs tailles fines, les argiles présentent également des structures complexes, qui peuvent survenir en raison de la multiplicité de possibilités de distributions et d’arrangements des substitutions isomorphiques dans leurs couches. Il a été clairement démontré qu’il existe une corrélation entre la distribution des substitutions dans les couches des argiles et les propriétés de ces dernières. En revanche, ceci reste à démontrer en ce qui concerne l’arrangement de ces substitutions dans les couches de l’argile. Dans ce travail, la modélisation moléculaire est utilisée pour déterminer et comparer les propriétés d’hydratation, ainsi que la structure et la mobilité des ions (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Ni²⁺, UO₂²⁺) et de l’eau dans l’espace interfoliaire de trois modèles de montmorillonite, différents entre eux par l’arrangement des substitutions isomorphiques dans les couches de l’argile.L’adsorption et la diffusion des cations cités plus haut et de l’eau sont également étudiées à la surface de la montmorillonite et les résultats sont comparés à ceux obtenus dans l’espace interfoliaire à 298 K et à 363 K. Les résultats obtenus dans ce travail s’accordent bien avec les observations expérimentales, et font ressortir une corrélation plus ou moins importante entre le modèle d’argile utilisé et le type de propriété calculée. Cette corrélation dépend également de la nature du cation présent dans la structure de la montmorillonite et de sa teneur en eau. / The study of adsorption and ion mobility in clay minerals is important for a better understanding of many geochemical and environmental processes, as well as to predict the behavior of radionuclides in geological storage conditions. Because of their very small size (<2μm), it is not always easy to study clays by using the existing experimental methods and techniques. One alternative to this issue is to use computational molecular modeling to carry out clay studies. In addition to their tiny size, clays minerals also have complex structures, which can appear due to various possibilities in the distribution and arrangement of isomorphic substitutions in their layers. It has been clearly demonstrated that there is a strong correlation between the distribution of substitutions in the clay layers and their properties. However, this remains to be shown regarding the arrangement of the substitutions in the layers of the clay. In this work, computational molecular modeling techniques are used to determine and compare the hydration properties, as well as the structure and mobility of ions (Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Ni²⁺,UO₂²⁺) and water in the interlayer space of the three models of montmorillonite, that differ from each other by the arrangement of isomorphic substitutions in the clay layers.The adsorption and diffusion of the previously listed cations and water are also studied on the surface of montmorillonite clay and the results are compared to those obtained in the interlayer space both at 298 K and at 363 K. The data generated in this work agree well with experimental observations, and show a more or less significant correlation between the clay model used and the type of property calculated.

Les smectites sont présentent dans de nombreux environnements de surface et sub-surface au sein desquels elles jouent un rôle prépondérant dans la mobilité des cations majeurs et traces de part leurs capacités d’adsorption. En contexte de réhabilitation de sites miniers exploités par lixiviation acide, ces smectites jouent un rôle dans la remontée du pH des eaux ainsi que dans l’immobilisation des éléments solubilisés. La nature des argiles présentent dans les sables non consolidés d’un aquifère exploité a donc été étudié. La présence de smectites du type beidellite (charge tétraédrique) a été mise en évidence. Cependant, il existe peu d’études sur les propriétés de la beidellite, la majorité portant sur la montmorillonite (charge octaédrique). Un modèle d’échange pour 5 cations majeurs des eaux naturelles (Na, K, Ca, Mg, H) et un élément trace (226Ra) a donc été réalisé sur une beidellite de référence. Les vitesses de dissolution et les mécanismes à l’interface solide/solution en milieu acide ont ensuite été étudiés, validant l’application du modèle d’échange à bas pH. Des effets dus à l’organisation des particules en suspension (texture/agrégation) ont aussi été mis en évidence sur les propriétés d’échange et de dissolution. Lors de ces travaux, l’accent a été mis sur l’impact de la cristallochimie sur la réactivité des smectites par comparaison entre les propriétés de la beidellite et de la montmorillonite. Les résultats indiquent que la cristallochimie des smectites a un impact significatif sur leur comportement, ce paramètre pourrait ainsi être utilisé afin d’alimenter les modèles de transport réactif prenant en compte les propriétés des smectites. / Swelling clay minerals, in particular smectites, are present in many surface and subsurface environments in which they have a major impact on the mobility of major cations and trace elements due to their adsorption capacity. In context of remediation of mining environments operated by acid leaching, these smectites can act as pH buffer and play a role in the immobilization of soluble elements. The type of clay minerals present in the poorly consolidated sands of an aquifer leached by acid solutions was studied. The presence of beidellite type smectites (di-octahedral, tetrahedral charge) was evidenced. However, few studies exist on the ion exchange properties or the dissolution of beidellite, as most of them deal with montmorillonite properties (di-octahedral, octahedral charge). Then, an ion-exchange model involving 5 major cations of natural waters (Na, K, Ca, Mg, H) and one trace element (226Ra) was proposed for a reference beidellite. Dissolution rates and interfacial mechanisms in acidic solutions were investigated in order to check for the validity the ion-exchange model at low pH. Moreover, effects due to the texture/aggregation of particles in suspension were evidenced on the ion-exchange and dissolution properties. This study was focused on the impact of the crystal chemistry on reactive property of the smectites, by comparison of the properties of beidellite with those of montmorillonitic minerals. Results indicate that smectites crystal chemistry has a significant impact on their properties, and such parameter could be considered in reactive transport models when they take into account cation exchange and dissolution properties of smectites.

Ces travaux de thèse ont porté sur le développement de nouveaux engrais à relargage contrôlé grâce à la mise en œuvre d’un procédé de mechanosynthèse à partir de mélanges contenant des composés lamellaires soit naturels (montmorillonite, talc et chrysotile) soit synthétiques (les Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL) à base de Mg, d’Al et de Fe) et de monohydrogénophosphate de potassium. Ce sel est déjà utilisé en agriculture en tant que fertilisant conventionnel. Toutefois sa forte solubilité en solution aqueuse induit des pertes importantes lors de l’épandage via des procédés de lixiviation, de volatilisation ou encore de fixation dans les sols, limitant ainsi l’efficacité des nutriments pour les plantes. Il est alors nécessaire d’en utiliser des quantités excessives pour observer une efficacité en agriculture. Aussi la principale alternative est de contrôler l’apport en éléments venant d’une part du sel soluble mais également des constituants chimiques des matrices lamellaires impliquées. Une telle approche pourrait réduire les coûts en permettant une fertilisation accrue tout en en diminuant la solubilité des ions impliqués. La méthode utilisée consiste à broyer les réactifs ensemble en modifiant les conditions de broyage utilisées. Afin d’évaluer les modifications structurales induites par le broyage, les échantillons obtenus sont caractérisés à l’aide de différentes techniques de caractérisation du solide, en fonction des éléments chimiques impliqués. La diffraction des rayons X (PXRD), la microscopie électronique à balayage couplé avec un analyseur (SEM-EDX) et les méthodes spectroscopiques SSNMR, FTIR, RAMAN, RPE…) se sont avérées pertinentes pour réaliser le suivi des réactions de mechanosynthèse et mettre en évidence une amorphisation des matrices précruseurs et éventuellement la formation de nouvelles phases cristallisées. La microscopie montre sytématiquement une modification importante de la taille des particules avec perte de la morphologie des matériaux précurseurs et parfois apparition de nouveaux cristaux de forme bien définie ayant une composition chimique différente. Grâce à la spectroscopie RMN à l’état solide il est possible de mettre en évidence de fortes modifications de l’environnement chimique après mechanosynthèse, suggérant la formation de composés métastables impliquant des cations métalliques issus des phases lamellaires, du phosphore et de l’oxygène. Les composés obtenus ont ensuité été étudiés dans des conditions de relargage mettant en évidence des propriétés de realargage contrôlé quelle que soit la matrice lamellaire précurseur impliquée dans le procédé. La vitesse de relargage des nutriments est influencée par la nature et la composition chimique de la matrices de départ, sachant qu’en fonction de leur composition chimique des produits différents peuvent être formés. / The present work describes the development of slow release fertilizers from the mechanochemical activation of of natural (montmorillonite, talc, chrysotile) and synthetic (Layered Double Hydroxides (LDH) MgAl and MgFe) lamellar matrix mixtures with potassium monohydrogen phosphate. This salt is used in agriculture as a conventional fertilizer and is highly soluble in aqueous solution, which implies large losses due to leaching processes, volatilization or even fixation in the soil, limiting the efficiency of the nutrients for the plants. Due to these characteristics, there is a need to apply large quantities of these products in agriculture. Therefore, the main idea is to control the supply of both the elements coming from the soluble salt as well as the constituting elements of the lamellar matrices. Such approach could reduce costs with exacerbated fertilization, potentiating the use of the products and decreasing the solubility of the ions involved. The methodology used basically consists of the milling of the reagents varying the processing conditions. For the characterization of the samples, several techniques were used according to the nature of the compounds involved. Particularly, PXRD, SEM / EDX and spectroscopic (SSNMR, FTIR, RAMAN, EPR…) techniques proved to be highly efficient for the monitoring of the mechano-chemical reaction, and to highlight the amorphization of the precursors and/or the formation of a distinct crystalline phase. SEM/EDX showed after the mechanochemical activation the changes in particle size, the disappearance of precursor morphologies, and the formation of particles with distinct morphologies and different chemical composition. Using solid state NMR measurements significant changes in the chemical environments involved were evidenced, suggesting the formation of metastable compounds between metal cations from the lamellar matrices, phosphorus and oxygen, as well as other possible compounds as products. After the mechanochemical reaction, in the nutrient release assays, the slow release behavior was observed for all the matrices analyzed. The release rate can be influenced by the chemical composition of the starting matrices, since each matrix can produce similar and distinct products, for example, SiO2 from natural clays which is not possible in the LDH products.

Une des manières d'augmenter la stabilité thermique de polymères consiste à leur ajouter de faibles quantités d'argile dispersées dans échelle nanométrique. De tels matériaux sont appelés de « nanocomposites ». Il existe plusieurs explications à ce phénomène, comme les effets de barrière de diffusion et la formation de charbon. D’autres sont en cours de vérification, comme les effets de piégeage de radicaux par les ions qui participent à des réactions de type Fenton. Notre objectif a été de suivre in situ des transformations chimiques de la phase argile, afin de mieux comprendre comment ces nanostructures lamellaires retardent la décomposition de polymères. Pour ce faire, trois types de nanocomposites ont été préparés: i) Poly(méthylméthacrylate)-co-Poly(trimetoxysilil propyl méthacrylate) et argiles montmorillonite (MMT) du type Cloisite (PMMA-co-PTMSM-Cloisite); ii) PMMA-argiles montmorillonites naturelles contenant différents taux d’ions Fe3+ dans les couches octaédrique (PMMA-MMT); iii) PMMA-hydroxydes doubles lamellaires (HDL), avec différentes proportions d’ ions Zn2+ , Cu2+ et Fe3+ PMMA-HDL. La thermo-décomposition des argiles primitives et de leurs nanocomposites ont été suivies par des analyses thermiques, de diffusion de rayons X (SAXS et WAXS) et par spectroscopie d'absorption de rayons X (EXAFS). Les effets de l'atmosphère, de la composition chimique des lamelles, et de la quantité d'argile employée dans l'obtention des nanocomposites ont été évalués. L'étude des nanocomposites, PMMA-co-PTMSM-Cloisite a mis en évidence deux mécanismes de stabilisation. Elle a montré que l'addition d’argiles résulte en une stabilisation plus importante sous atmosphère d'air, que sous atmosphère de N2, et est aussi plus importante selon la quantité d'argile dispersée dans le polymère. La formation de charbon a aussi été observée seulement sous l'atmosphère d'air. La stabilité thermique des nanocomposites PMMA-MMT est aussi proportionnelle à la quantité d'argile employée dans l'obtention de la nanocomposite. Pour de faibles quantités d’argile, 0.3-1 % en masse, la stabilité thermique des nanocomposites est proportionnelle à la quantité de ions Fe3+ présents dans l'argile. Le suivi de l'environnement chimique des ions Fe3+ par EXAFS en fonction de la température, a montré que quand la phase argile est dispersée dans le PMMA, les ions Fe3+ sont réduits à Fe2+, ce qui ne se vérifie dans les phases primitives. Ces mécanismes de stabilisation indiquent que la phase argile stabilise le PMMA par des mécanismes de barrière de diffusion et par le piégeage des radicaux. Les nanocomposites PMMA-HDL contenant des ions Fe3+ sont plus stables que ceux qui contiennent des ions Cu2+. L’étude in situ de 'évolution de l'ordre local à moyenne distance en fonction de la température a montré que les phases HDL stabilisent le PMMA également par les mécanismes de barrière de diffusion et le piégeage de radicaux. L’ion Cu2+, induisant des distorsions dans l'ordre local, rend les lamelles moins stables : elles se décomposent à des températures inférieures, et l'effet de barrière de diffusion est alors réduit. Par contre, les ions Cu2+ et Fe3+ piègent des radicaux de la phase polymérique qui se décomposent et ralentissent le phénomène. Cette thèse démontre que les argiles peuvent agir comme des particules réactives ou inertes, c'est-à-dire, à travers des réactions chimiques avec le polymère ou comme barrière physique. La stabilisation thermique des polymères dépend d’une combinaison de mécanismes, parmi eux la barrière de diffusion, la formation de charbon et le piégeage de radicaux. / One way to increase thermal stability of polymers consists by mixing them with a few amount of clays (< 1 % w/w), spread at a nanometric scale. Such materials are called ‘nanocomposites’. Many explanations of the phenomenon have been given, as diffusion barrier effects, the formation of char. Others being checked, as the effects of radical trapping by the ions involved in Fenton-type reactions. In this work, the main objective was to follow in situ the chemical transformations of the clay phase, in order to better understand how these lamellar nanostructures retard the polymer decomposition. Three types of nanocomposites were prepared : i) Poly(methyl methacrylate)-co-Poly(trimetoxysilil propylmethacrylate) and montmorillonite clay (MMT) type Cloisite (PMMA-co-PTMSM-Cloisite); ii) natural PMMA-montmorillonites clay with different proportion of ions Fe3+ in octahedral layers (PMMA-MMT); iii) PMMA- double-layered hydroxides (HDL), with different rate of ions Zn2+, Cu2+ and Fe3+ PMMA-HDL. The thermal decomposition of primitive clay and of its respective nanocomposites were followed by thermal analysis, X-ray scattering (SAXS and WAXS) and X-ray absorption spectroscopy (EXAFS). The effects of atmosphere, the chemical decomposition of layers and the clay amount employed to obtain the nanocomposites were evaluated. The study of nanocomposites, PMMA-co-PTMSM-Cloisite showed that the addition of clay, under air, results in a greater stabilization than under N2 atmosphere, which is also higher according to the amount of clay spread in the polymer. The formation of char has been observed only under air atmosphere. It highlighted two stabilization mechanism: char formation and diffusion barrier. The thermal stability of nanocomposites PMMA-MMT is also proportional to the amount of clay used in obtaining the nanocomposite. For small amount of clay, 0,3 – 1wt%, the thermal stability of nanocomposites is proportional to the quantity of ions Fe3+ in the clay. The monitoring of the chemical environment of the ions Fe3+ by EXAFS in function of the temperature showed that, when the inorganic phase is spread in the PMMA, the ions Fe3+ are reduced to Fe2+. This was not verified in the pristine phases. The stabilization mechanisms revealed in this study, indicate that the clay phase stabilizes the PMMA by diffusion barrier mechanisms and radical trapping. The nanocomposites PMMA-HDL with ions Fe3+ are more stable than those containing ions Cu2+. The in situ study of the evolution of the local order at middle-range distance in function of temperature showed that the HDL phases stabilize also the PMMA by diffusion barrier mechanisms and the radical trapping. The ion Cu2+ , leading to distortions at the local order, makes layers less stable; they decompose at lower temperature and the diffusion barrier effect is then reduced. On the other hand, the ions Cu2+ and Fe3+ trap radicals in the polymer phase which breaks down and slow the phenomenon. This PhD work demonstrates that clay can act as reactive or inert particles, i.e. through chemical reaction with the polymer or as physical barrier. The thermal stabilization of polymers relies on a mechanism combination; whom the diffusion barrier, the char formation and the radical trapping.

Les pesticides sont des molécules utilisées en grandes quantités en France et dans le monde entier pour la protection des cultures. Lorsque ces substances sont répandues une grande quantit é rejoint les sols. Dans cette thèse, le devenir de pesticides dans le sol est étudié. Pour cela, trois pesticides ont été sélectionnés : l'atrazine, la métamitrone et le fenhexamide ; et une argile de type montmorillonite a été choisie. Les simulations menées lors de cette thèse emploient le formalisme de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). La première partie de cette thèse porte sur l'étude statique de l'interaction de l'atrazine avec la pyrophyllite et la montmorillonite. Dans les chapitres suivants, la Dynamique Moléculaire Car-Parrinello en DFT est utilisée. L'étude débute par les pesticides seuls, métamitrone et fenhexamide, puis leurs complexes avec un ou deux cations Na+ et Ca2+. Ensuite, l'adsorption de ces entités, en présence ou non d'eau, sur une surface de montmorillonite, est envisagée à l'aide de calculs périodiques. Dans le second chapitre de ce travail, des résultats issus d'optimisations de géométries en phase gazeuse sont présentés. La troisième partie développe les résultats obtenus pour l'adsorption de la métamitrone et du fenhexamide sur le modèle d'argile choisi. Dans le dernier chapitre, certaines des structures les plus stables de chaque pesticide adsorbé sur la surface ont été solvatées et une étude de la désorption du fenhexamide de la surface de montmorillonite a été réalisée à l'aide de la méthode Umbrella Sampling. Ce travail a permis de quantifier théoriquement la barrière d'énergie libre à franchir pour désorber le fenhexamide de la montmorillonite hydratée. / Pesticides are widely employed molecules for crop protection in France and all over the world. When these substances are spread an important quantity reaches soils. In the present thesis, pesticide fate is under study. For this purpose, three pesticides have been selected: atrazine, metamitron and fenhexamid ; and the most abundant smectite clay type, montmorillonite, has been chosen. The computational simulations conducted in this thesis use the Density Functional Theory (DFT) formalism. The first part of this thesis treats a static study of atrazine interaction with pyrophyllite and montmorillonite. In the following chapters, Car-Parrinello Molecular Dynamics through DFT is used. This study begins with isolated pesticides, metamitron and fenhexamid, then their complexes with one or two Na+ and Ca2+. Finally, the adsorption of these entities, in the presence of water or not, onto a montmorillonite surface, is considered using periodic calculations. Within the second chapter of the present work, results from geometry optimisations in gas phase are presented. The third part develops the obtained results on the adsorption of metamitron and fenhexamid over the chosen clay model. In the last chapter of this thesis, some of the most stable structures of each adsorbed pesticide onto the surface have been solvated and a study of fenhexamid desorption from the montmorillonite surface using Umbrella Sampling has been done. This work allowed to quantify theoretically the free energy barrier to overcome to desorb fenhexamid from the hydrated montmorillonite.