Ce travail de thèse porte sur les liens entre les conditions opératoires du procédé de mise en œuvre par mélange à l'état fondu et la structure de nanocomposites polypropylène/argile, ainsi que sur l'influence de l'état de dispersion de l'argile sur les propriétés mécaniques des matériaux obtenus. L'étude est basée sur des essais expérimentaux. Les analyses structurales sont réalisées en s'appuyant sur la rhéologie, la diffraction de rayons X ainsi que sur des observations en microscopie électronique.Les études en mélangeur interne ont montré, d'une part, que l'augmentation de la concentration en agent compatibilisant (PP-g-MA) favorise la dispersion de l'argile à l'échelle manométrique tout en augmentant la fragilité des nanocomposites, et d'autre part, que le mélange par voie mélange maître permet d'améliorer considérablement l'état de dispersion comparativement à la voie directe. Les essais réalisés en extrusion bivis corotative ont permis de mettre en évidence l'impact de la vitesse de rotation des vis (N), du débit d'alimentation (Q) et de la température de régulation (Trég) sur l'état de dispersion. L'influence de ces trois variables peut être décrite à l'aide d'un paramètre unique : l'énergie mécanique spécifique (EMS). L'accroissement de l'EMS entraîne une augmentation du niveau d'exfoliation jusqu'à une valeur critique au-delà de laquelle les conditions opératoires ne semblent plus influencer l'état de dispersion. Une relation entre le module de Young des nanocomposites et le niveau d'exfoliation a été établie. Le logiciel LUDOVIC© nous a permis de montrer que l'EMS permet également une bonne description de la progression de l'état de dispersion le long du profil d'extrusion. Enfin, l'étude du comportement thixotrope des nanocomposites à l'état fondu a notamment permis de comprendre que le principe de superposition temps-température ne s'applique pas systématiquement aux nanocomposites étant donné leur caractère évolutif.

Making a robust carbon nanotube-based conductor as a replacement of copper in electricity grids can initiate a paradigm shift in energy transmission. This dissertation identifies four fundamental factors for making carbon nanotube-based conductors as functionalization, dispersion, concentration and processing. These four factors are discussed in detail by studying four separate systems: nanotube/epoxy composites, nanotube/porous medium density polyethylene (MDPE) composites, nanotube/high density polyethylene (HDPE) composites and pure nanotube cables. In nanotube/epoxy composites, homogeneous dispersion of nanotubes and a strong interface between nanotubes and epoxy matrix were simultaneously achieved through the development of a novel nanotube functionalization. While the degree of functionalization was high, the process was non-destructive to the mechanical properties of the nanotubes. In addition, the functional groups constructed covalent bonds with the epoxy matrix and also made dispersing the nanotubes much easier. As a result, the composites reinforced by the functionalized nanotubes had better mechanical properties than the samples reinforced by the raw nanotubes. In nanotube/porous MDPE composites, the degree of nanotube dispersion reached a level of 1 micron for nanotube agglomerate size within the matrix. This successful dispersion was primarily attributed to creating the porous MDPE. The pore size was tuned to be as small as 1 micron so that the sub-micron long HiPco nanotubes could easily penetrate into the matrix. The nanotube/porous MDPE composites obtained enhancement both in mechanical strength and electrical conductivity compared to the control samples. In nanotube/HDPE composites, the nanotube conducting networks were studied. Conductivity of the composites with the loading ratio at the percolation threshold was not sufficiently high for conductor applications. Nanotube/HDPE composite wires with higher loading ratios up to 40 wt% were prepared. Key factors for improving the formation of the conducting networks were identified. Through optimization in processing, maximum conductivity of ∼10 3 S/m was achieved. Pure nanotube cables were prepared by a solid spinning procedure, which showed the potential to make macroscopic cables of various length and thickness. The pure nanotube cables circumvented the bottleneck in improving conductivity for composite systems, in which polymer in-between the nanotubes caused high contact resistance. The pure nanotube cables reached conductivity as high as ∼10 6 S/m. Through iodine doping, conductivity further was enhanced so that the specific conductivity of the doped cables exceeded that of metals such as copper. As a result of applying the knowledge learned from study of the four fundamental factors, a macroscopic carbon-nanotube cable was created. It reached an unprecedented conductivity as high as ∼10 7 S/m. Mechanically it was more robust than steel, but with 1/6 the weight. This advanced nanotube-based conductor can have a wide spectrum of applications such as transmission lines and low dimensional connecting wires.

La recherche actuelle est entreprise dans l'optique de la révision complète du design chimique et des principes d'élaboration des photocatalyseurs composites supportés (PCCS) afin d'améliorer considérablement leurs capacités réactionnelles, la durabilité de leur action en temps et de résoudre le problème de pollution secondaire des milieux à traiter. Les travaux effectués ont permis la mise en œuvre d'un nouveau modèle de PCCS interactifs dont les composants photosensibles sont en fortes interactions chimiques avec leurs supports appartenant au groupe d'acides de Lewis. Cette particularité assure une grande sélectivité d'action des produits développés, leur fonctionnement durable en régime stationnaire, évite la pollution secondaire des effluents à traiter et garanti une performance photocatalytique comparable à celle du produit de référence Degussa P25.Les travaux réalisés ont permis d'acquérir de nouvelles connaissances scientifiques concernant le rôle de l'acidité de surface dans l'action photocatalytique et du taux de dissociation de l'eau adsorbée sur le produit actif. De plus, un ensemble de huit paramètres principaux assurant les meilleures conditions d'exploitation des PCCS a été établi.Les PCCS développés peuvent être appliqués, tout d'abord, dans le domaine de l'incinération photocatalytique des COV. Un prototype de filtre dynamique capable de traiter 50 m3/h de l'air avec une consommation d'énergie modérée, est conçu. Un nouveau type de matériaux composites à vocation germicide à base de polymères synthétiques fait également l'objet de la partie applicative de ces travaux de thèse.

This thesis presents a numerical model for determining piezoelectric and non-linear elastic properties of piezoelectric composites consisting of nanotubes in a polymer matrix. Finite Element Analysis (FEA), in conjunction with the Embedded Fiber Method (EFM), is used, and variable nanotube geometry, alignment, and waviness are taken into account. First, a random morphology of a user-defined volume fraction of nanotubes is generated, and their properties are incorporated into the polymer matrix using the EFM. Next, the system is solved and the values are post-processed to determine the effective elastic and piezoelectric properties of the composite. Finally, incremental FEA approaches are used for the determination of the non-linear properties of the nanocomposite. Monte Carlo Analysis of five hundred random microstructures is performed to capture the stochastic nature of the fiber generation and to derive statistically reliable results. The models are validated by comparison with theoretical and experimental data reported in recent literature.

In recent years, traditional piezoelectric materials have been pushed to the limit in terms of performance because of countless novel applications. This has caused an increased interest in piezoelectric composites, which combine two or more constituent materials in order to create a material system that incorporates favorable attributes from each constituent. One or more of the constituents exhibits piezoelectric behavior, so that the composite has an effective electromechanical coupling. The composite material may also have enhanced properties such as stiffness, durability, and flexibility. Finite element analyses were conducted on a three-phase piezoelectric nanocomposite in order to investigate the effects of several design parameters on performance. The nanocomposite consisted of a polyimide matrix, beta-CN APB/ODPA, enhanced with single wall carbon nanotubes and PZT-5A particles. The polyimide and nan- otube phases were modeled as a single homogenized phase. This results in a two-phase nanocomposite that can be modeled entirely in the continuum domain. The material properties for the nano-reinforced matrix and PZT-5A were obtained from previous experimental efforts and from the literature. The finite element model consisted of a single representative volume element of the two-phase nanocomposite. Exact periodic boundary conditions were derived and used to minimize the analysis region. The effective mechanical, electrical, and piezoelectric properties were computed for a wide range of nanotube and PZT particle concentrations. A discrepancy was found between the experimental results from the literature and the computational results for the effective electrical properties. Several modified finite element models were developed to explore possible reasons for this discrepancy, and a hypothesis involving dispersion of the nanotubes was formulated as an attempt to explain the difference. The response of the nanocomposite under harmonic loading was also investigated using the finite element model. The effective properties were found to be highly dependent on the dielectric loss of the beta CN/SWNT matrix. It was also found that increasing the matrix loss enhanced piezoelectric performance up to a certain point. Exploiting this type of behavior could be an effective tool in designing piezoelectric composite materials.

Polymer nanocomposites are used in a variety of applications due to their good mechanical properties. Specifically, better performance of lithium ion batteries and thermal interface material can be obtained by using conductive materials and polymer composites. In the case of lithium ion batteries, electrochemical properties of batteries can be improved by adding conductive additives and conducting polymer into the cathode. Several samples, to which different conductive additives and conducting polymer were added, were prepared and their electrical resistance and discharge capacity measured. In the thermal interface material case, also, thermal properties can be enhanced by polymer nanocomposites. In order to confirm the thermal conductivity enhancement, samples were synthesized using different filler, polymer and methods, and their thermal conductivity measured. The influence of polymer nanocomposites and results are discussed and future plan are presented. In addition, reasons of thermal conductivity changing in each case are discussed.

In der vorliegenden Arbeit wurden neue Nanopartikel/Polymer-Kompositmaterialien und Methoden zur ihrer Herstellung entwickelt. Durch die Verwendung lumineszierender, anorganischer Nanopartikel und transparenter Polymere konnte für verschiedene Systeme die Lumineszenz als Funktion auf die Nanokomposite übertragen werden. Zunächst wurden in allen Fällen stabile Partikeldispersionen in Monomeren oder Polymerlösungen erzeugt, die in einem zweiten Schritt durch in-situ-Polymerisation oder Filmgießen in Komposite verarbeitet wurden. So konnten orangelumineszierende ZnS:Mn-Nanopartikel durch eine Cofällungsreaktion dargestellt und in eine stabile Dispersion in Acrylsäure überführt werden. Diese Dispersion konnte mit dem Tintenstrahldrucker als transparente Schicht gedruckt und durch Strahlungshärtung polymerisiert werden. Durch die Beimengung von MMA gelang erstmals die Herstellung transparenter ZnS:Mn-Nanokomposite durch die thermische Copolymerisation in Masse. Eine weitere Modifizierung mit Oleylamin ermöglichte die Stabilisierung der Partikel in Laurylacrylat und die Herstellung von ZnS:Mn/PLA-Nanokompositen durch Photopolymerisation der Dispersion. ZnS:Mn/PMMA-Nanokomposite und die isolierten Partikel weisen eine Fluoreszenzquantenausbeute von ca. 30 % auf. Dieser Wert übertrifft bisher publizierte Werte für ZnS:Mn-Nanopartikel deutlich. Blau-grün lumineszierende, kupferdotierte ZnS-Nanopartikel wurden in Wasser synthetisiert und durch einen Phasentransfer mit Octylamin hydrophob modifiziert. Mit den modifizierten ZnS:Cu-Nanopartikeln wurden PLA-Nanokomposite durch Redispergierung und in-situ-Polymerisation hergestellt. Des Weiteren konnten ZnS/PMMA-Filme durch ein Gießverfahren mit den hydrophobisierten ZnS:Mn- und ZnS:Cu-Partikeln hergestellt werden. Zinkoxid-Nanopartikel wurden in Ethanol synthetisiert. Die Partikel konnten als stabile Dispersion in BDMA überführt werden. Die Methode erlaubt die Kontrolle über Partikelgrößen im Bereich von 6-10 nm (DLS) und über die Partikelkonzentration bis zu 10 Gew%. Wachstumsprozesse, die für ZnO in Ethanol nur schwer zu kontrollieren sind, sind in BDMA vollständig eingestellt. Alternativ konnten die Zinkoxid-Nanopartikel durch die Zugabe von Oleylamin aus der ethanolischen Dispersion isoliert und gleichzeitig modifiziert werden. Die hydrophobisierten Partikel sind redispergierbar in unpolaren Monomeren. Mit dieser Methode wurden ZnO-Dispersionen in Laurylacrylat hergestellt. Dispersionen in BDMA und LA konnten photopolymerisiert werden. Die stabilen ZnO-Dispersionen in Acrylatmonomeren mit Konzentrationen bis 10 Gew% und daraus herstellbare, transparente Polymernanokomposite durch UV-Härtung sind als Neuheit zu bewerten. Zur Herstellung von YVO4:Eu/Polymer-Nanokompositen wurde eine Methode für die in-situ-Generierung der Nanopartikel in Methylmethacrylat entwickelt. Dazu wurden neuartige, inverse Mikroemulsionen mit MMA als Ölphase erzeugt. In den Mizellen entstanden durch eine Fällungsreaktion rot-emittierende YVO4:Eu- Nanopartikel. Die resultierende Partikeldispersion in MMA wurde polymerisert und so in Nanokomposite umgewandelt. Eine alternative Herstellungsmethode basiert auf der Synthese von citratstabilisierten YVO4:Eu-Nanopartikeln in Wasser und anschließendem Phasentransfer mit Octylamin. Man erhält ein hydrophobes Pulver, das in Laurylacrylat zu einer stabilen Mischung redispergiert werden kann. Die resultierenden Dispersionen sind photopolymerisierbar [169]. YVO4:Eu enthaltende Polymernanokomposite wurden bisher nicht beschrieben. Der Phasentransfer mit Alkylaminen wurde bereits für Gold-Nanopartikel demonstriert. Die Anwendung auf ZnS:Cu- und YVO4:Eu-Nanopartikel ist als Weiterentwicklung zu betrachten. Zur Partikelgrößenbestimmung an den Monomerdispersionen und Pulvern wurden dynamische Lichtstreuung, Kleinwinkelröntgenstreuung, Transmissionselektronenmikroskopie und Röntgendiffraktometrie eingesetzt. Alle genannten Nanokompositmaterialien konnten mit hoher Transparenz und geringer Trübung hergestellt werden, wie mit Transmissionsmessungen und Trübungsmessungen gezeigt wurde. Mit Transmissionselektronenmikroskopie an Ultramikrotomdünnschnitten konnte für ZnS/PMMA- und ZnO/PBDMA-Nanokomposite eine homogene Partikelverteilung im Polymer nachgewiesen werden. Durch die Variation des Partikelanteils wurden für die verschiedenen Systeme Konzentrationsgrenzen im Bereich von 3-10 Gew% zur Herstellung transparenter Komposite ermittelt. Die Nanokomposite weisen eine intensive Photolumineszenz auf. Blau- (ZnS:Cu), grün- (ZnO), orange- (ZnS:Mn) und rot- (YVO4:Eu) emittierende Nanokomposite wurden erhalten (Abbildung 75). Mit Fluoreszenzspektroskopie wurden die charakteristischen Anregungs- und Emissionsspektren der Kompositproben aufgenommen. Neben der Lumineszenz können die intensive UV-Absorption des ZnO, bzw. der hohe Brechungsindex des ZnS in Nanokompositen nutzbar gemacht werden. Die entwickelten Methoden beruhen auf einfachen, aufskalierbaren Prozessen und die verwendeten Edukte sind kommerziell erhältlich und ungiftig. Die entwickelten stabilen, druckbaren und strahlungshärtbaren Nanopartikeldispersionen in Acrylatund Methacrylatmonomeren sind daher auch für industrielle Anwendungen geeignet.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2006. / Thèse entièrement rédigée en anglais. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 192-208.

Thèse de doctorat : Chimie : Strasbourg 1 : 2007. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 210-232.

Thesis (Ph. D.)--University of Alabama at Birmingham, 2007. / Title from PDF title page (viewed Jan. 28, 2010). Additional advisors: Derrick R. Dean, Wiliam K. Nonidez, Andrei Stanishevsky, Charles L. Watkins. Includes bibliographical references.