Cette thèse porte sur la production et l’étude de mousses polymères microporeuses, par dissolution de gaz. Plusieurs techniques expérimentales ont été améliorées ou adaptées pour la réalisation des mousses et la caractérisation des systèmes étudiés. De plus il est démontré que les paramètres du procédé, tels que la pression et la température, permettent la différenciation entre les différentes voies de moussage utilisées. Ceux-ci ont une influence significative sur les caractéristiques finales des mousses. / This dissertation focuses on the production and study of microcellular polymer foams by gas dissolution foaming. Due to the novelty of this research field several experimental techniques have been improved or adapted to produce the foams but also to provide valuable information from the systems understudy. It is demonstrated that processing parameters, such as pressure and temperature, allow differentiating between our foaming routes, and present a significant influence on the foaming process and final characteristics of foam.

Les dispositifs de diagnostics à bas coût au point d'intervention reposent notamment sur la microfluidique et un support adapté. La mousse polymère dispose de propriétés mécaniques et structurales particulières (porosité, élasticitédots) qui la distinguent des autres matériaux utilisés en microfluidique (PDMS, papier, matières plastiques, verre, siliciumdots). Cette thèse porte sur l'investigation systématique des différentes potentialités offertes par la mousse polymère en tant que nouveau support pour la microfluidique. Un procédé de mise en forme est tout d'abord proposé permettant la réalisation d'un microsystème fluidique. Ce nouveau procédé repose sur l'utilisation conjointe d'une mousse polymère et d'un élastomère afin de réaliser des systèmes fluidiques très élastiques, conservant les propriétés structurales initiales de la mousse. Basé sur une technique d'emboutissage contrôlée et reproductible, le procédé est compatible avec une production industrielle. Un modèle numérique associé permet aussi son optimisation. Les dispositifs microfluidiques en mousse ainsi réalisés possèdent, en plus de la capillarité, un atout déterminant : la possibilité d'une compression manuelle ou d'un actionnement péristaltique externes pour un contrôle des écoulements microfluidiques sans contamination. L'actionnement péristaltique est compatible avec un fonctionnement en pompe et en vanne. Une modélisation par approche nodale permet de reproduire dynamiquement le comportement des écoulements dans des canaux fluidiques en mousse. En vue d'une intégration dans des systèmes portables à bas coût, les étapes fondamentales d'un test de diagnostic (récupération et préparation d'un échantillon, détection) sont validées. On montre que la filtration est possible pour des objets de quelques dizaines de micromètres. Les dispositifs en mousse peuvent aussi être fonctionnalisés chimiquement pour optimiser la capture de cibles biologiques. La détection d'éléments biologiques est également possible en fluorescence ou par colorimétrie à partir d'une amplification isotherme de l'ADN. Enfin, un prototype de typage sanguin donne accès au groupe sanguin d'un échantillon de sang total en quelques minutes. Ce dernier test est mené sur un dispositif intégré qui met en valeur l'essentiel des avantages d'un dispositif en mousse : robustesse, simplicité d'utilisation, embarquement de réactifs, association de différents matériaux, déplacement d'un échantillon biologique par compression externe contrôlée par un opérateur, lecture directe d'un résultat de test en quelques minutes. / Microfluidics and an appropriate substrate are essentials for the design of low-cost point-of-care diagnostic devices. The particular mechanical and structural properties (porosity, elasticitydots) of polymeric foam are unique among the other widespread materials in microfluidics (PDMS, paper, plastic materials, glass, silicondots). A systematic screening of the different capabilities provided by polymeric foam as a new substrate for microfluidics is offered in this thesis. First off, a shaping process is proposed for the production of fluidic microsystems. This new process relies on the combined usage of a polymeric foam and an elastomer to produce highly elastic fluidic systems that keep the initial structural properties of the foam. Based on a controlled and repeatable embossing technic, the process is compatible with industrial production. A coupled numerical model also allows its optimization. The resulting foam microfluidic devices have, besides capillarity, a decisive asset : the option of a manual compression or an external peristaltic actuation for a contamination-free control of the microfluidic flows. The peristaltic actuation can function as a pump and as a valve. A lumped elements model enables a dynamic reproduction of the fluidic behavior inside the foam channels. To ensure proper integration in low-cost portable devices, the fundamental stages of a diagnostic test (retrieval and preparation of a sample, detection) are validated. We show that filtration of objects of only a few tens of micrometers in size is possible. The foam devices can also be chemically functionalized to optimise the capture of specific biological targets. The fluorescent or colorimetric detection of biological elements is equally possible by means of isothermal DNA amplification. Finally, a blood typing prototype gives access to the blood group of a whole blood sample in a few minutes. This last test is carried on an integrated device which highlights the main benefits of a foam device : robustness, user-friendly, embedded reagents, multiple materials combination, transport of a biological sample by external compression controlled by an operator, direct readout of a result in a few minutes.

Les matériaux polymères à structures cellulaires allient des propriétés mécaniques, thermiques, chimiques et optiques intéressantes aux regards des contraintes d’allègement des systèmes et des structures. Toutefois, pour diversifier leurs applications et les rendre toujours plus performants dans les domaines de la santé, du transport ou encore du bâtiment, une étude fine des relations qui lient les procédés de fabrication à la microstructure générée et aux propriétés qui en découlent, doit être menée. Ces propriétés mécaniques dépendent étroitement des propriétés de la matière dont les mousses sont faites mais aussi de la morphologie de leurs microstructures (orientation, distribution et taille des pores, épaisseur des parois). Il est donc crucial de pouvoir quantifier et mesurer ces paramètres pour tendre vers une compréhension fine des propriétés mécaniques et définir des modèles capables de relier le comportement macroscopique du matériau cellulaire vis-à-vis de son « équivalent » massif et de la microstructure. En collaboration étroite avec la direction recherche et développement de l’entreprise INTEREP, leader européen du caoutchouc cellulaire étanche, une caractérisation expérimentale du comportement mécanique de mousses de différentes natures polymériques et de différentes topologies à d’abord été effectuée. Ensuite un ensemble de modélisations géométriques a été développé à partir d’observations microstructurales de vraies mousses en micro-tomographie RX et à partir de microstructures générées virtuellement par le biais d’une description physique du processus de fabrication de mousses polymères. Finalement, une simulation numérique éléments finis en 2D et en 3D de ces microstructures couplées à la caractérisation expérimentale du matériau massif des parois a permis de reproduire et d’étudier finement les mécanismes de déformations observés expérimentalement sur des mousses polymères et d’affiner les lois de comportement empiriques avec la prise en compte d’un paramètre supplémentaire caractéristique de la statistique de distribution des cellules dans l’espace, c'est-à-dire de leurs localisations et de leur distribution de taille et de forme. / Polymer foams materials combine mechanical, thermal, chemical and optical interesting properties going with light weighting structures problems. However, to diversify their applications and make them even more efficient in health field, transportation or building, a fine study of the relationships between manufacturing processes to generated microstructures and resulting properties must be conducted. These mechanical properties are highly depending on the properties of material with which foams are made but also on the morphology of their microstructures (orientation, distribution and pore size, wall thickness). Thus it is crucial to quantify and measure these parameters to strive for a detailed understanding of the mechanical properties and define models capable of linking global behavior of cellular materials to bulk materials and microstructures. Working closely with research and development division of INTEREP, European leader in waterproof cellular rubber, an experimental characterization of the mechanical behavior of polymer foams of different natures and different topologies has been performed first. Then geometrical modeling was developed from micro structural observations of real foams in x-ray micro-tomography and from virtually generated microstructures through a physical description of polymer foams manufacturing process. Finally finite element simulation in 2D and 3D of these microstructures were coupled with the experimental characterization of bulk material allowing thus to reproduce and finely study deformation mechanisms experimentally observed on polymer foams and refine empirical behavior laws by taking into account additional characteristic parameter of cells statistical distribution in space like their location and their size distribution and shape.

Cette thèse porte sur la production et l’étude de mousses de polymères micro ou nanoporeux à partir de mélanges nanostructurés à base de PMMA (poly(méthyl méthacrylate)) par dissolution et moussage avec CO2. D’autre part, plusieurs techniques expérimentales ont été améliorées ou adaptées afin de fournir de précieuses informations sur les systèmes étudiés. La nanostructuration de mélanges solides denses à base de PMMA est induite par l’addition d’un copolymère à blocs (MAM, poly(méthyl méthacrylate)-co-poly(butylacrylate)-co-poly(méthyl méthacrylate)). Les structures cellulaires des mousses produites à partir de ces mélanges ont été caractérisées et expliquées ; on a démontré que la nanostructuration agit comme un modèle (un gabarit) pour la structure cellulaire, permettant l’obtention d’un large éventail de structures cellulaires et en particulier des mousses nanocellulaires. De plus il est démontré que les paramètres du procédé, tels que la pression et la température, permettent la différenciation entre les deux voies de moussage utilisées ;ceux-ci ont une influence significative sur les caractéristiques finales des mousses de PMMA seul, mais peu sur celles des mélanges PMMA/MAM. Les mousses dans ces mélanges présentent un mécanisme de nucléation hétérogène contrôlée par la nanostructuration, ce qui permet de limiter l’influence des paramètres de traitement thermique dans la nucléation de la cellule. En outre, certains mélanges de PMMA/MAM présentent également une remarquable stabilité de leur morphologie au cours de la croissance cellulaire, ce qui évite l’effondrement cellulaire et la coalescence.Enfin, on a étudié l’influence de la transition entre les structures micro-cellulaires et les structures nano-cellulaires sur les propriétés : une nette diminution de la conductivité thermique en raison de l’effet de Knudsen que nous avons mis en évidence, une augmentation notable de la température de transition vitreuse en raison de l’isolement des chaînes de polymères dans les parois (les murs) de la cellule ; mais n’avons pas noté d’influence importante de cette transition sur le module de Young. / This dissertation focuses on the production and study of nanocellular foams from PMMA based(poly(methyl methacrylate) materials by CO2 gas dissolution foaming.Due to the novelty of this research field several experimental techniques have been improved or adapted in order to provide valuable information from the systems understudy. Nanostructuration of PMMA-based blends induced by the addition of a block copolymer (MAM, poly(methyl methacrylate)-b-poly(butyl acrylate)-b-poly(methyl methacrylate)) and the cellular structure of the foams produced from these blends have been characterized and related; obtaining that the nanostructuration acts as a pattern for the cellular structure, allowing obtaining a wide range of cellular structures and in particular nanocellular foams. It is demonstrated that processing parameters, such as pressure and temperature, allow differentiating between two foaming routes ; and present a significant influence on the foaming process and final characteristics of neat PMMA foams, but not on PMMA/MAM blends. PMMA/MAM blends present a heterogeneous nucleation mechanism controlled by the nanostructuration that avoid the influence of the processing parameters in the cell nucleation. In addition, some PMMA/MAM blends also present a high stability during the cell growth, avoiding the cellular collapse and coalescence. Finally, it has been studied the influence on the foams properties of the transition between the microcellular and the nanocellular ranges; obtaining that there is a clear influence on the thermal conductivity, which decreases in nanocellular foams due to the Knudsen effect,and the glass transition temperature, which increases in nanocellular foams due to the confinement of the polymer chains in the cell walls, but not on the Young’s modulus. / Esta tesis se centra en la producción y estudio de de espumas poliméricas nanocelulares producidas a partir de materiales basados en PMMA (poli(metil metacrilato)), mediante la técnica de espumado por disolución de gas usando CO2. Debido a la novedad de este campo de investigación ha sido necesario mejorar o adaptar varias técnicas experimentales para obtener la información necesaria de los sistemas bajo estudio. Se han caracterizado y relacionado la nanoestructuración de mezclas basadas en PMMA, inducida por la adición de un copolímero de bloque (MAM, poli(metil metacrilato)-copoli(butil acrilato)-co-poli(metil metacrilato)), y la estructura celular de las espumas producidas a partir de esas mezclas; obteniéndose que la nanoestructuración actúa como patrón para la estructura celular, permitiendo obtener una amplia variedad de estructuras celulares y en particular de estructuras nanocelulares.Se ha demostrado que los parámetros de procesado, como la presión y temperatura,permiten diferenciar entre dos rutas de espumado y presentan una influencia significativa en las características finales de las espumas de PMMA puro, pero no en las mezclas de PMMA/MAM. Estas mezclas presentan un mecanismo de nucleación heterogénea controlado por la nanoestructuración, que evita que los parámetros de procesado influyanen el proceso de nucleación de las celdas. Además, algunas mezclas de PMMA/MAM también presentan una alta estabilidad durante el crecimiento de las celdas, evitando el colapso de la estructura celular y la coalescencia.Finalmente, se ha estudiado la influencia en las propiedades de las espumas de la transición entre el rango microcelular y el rango nanocelular; obteniéndose que hay una clara influencia sobre la conductividad térmica, que decrece en las espumas nanocelulares debido al efecto Knudsen, y sobre la temperatura de transición vítrea, que se incrementa debido al confinamiento de las cadenas poliméricas en las paredes de las celdas, pero no sobre el módulo de Young.