Les défauts créés dans les polymères soumis aux rayonnements ionisants, en atmosphère inerte, suivent pratiquement tous la même évolution en fonction de la dose. Lorsque la dose augmente, leur concentration augmente puis se stabilise. L'hypothèse retenue pour expliquer ce comportement est la mise en place de transferts d'énergie vers les défauts macromoléculaires créés aux faibles doses. Ceux-ci agissent comme des pièges à énergie et conduisent donc à la radio-stabilisation du polymère. Au cours de cette thèse, nous nous sommes attachés à la quantification de l'apport de l'insaturation trans-vinylène dans le comportement sous rayonnements ionisants du polyéthylène. Avec le dihydrogène, ce groupement compte parmi les défauts majoritaires créés dans ce polymère. Du fait de la variété des défauts et de la simultanéité de leur création, nous avons choisi une méthodologie nouvelle consistant à insérer par voie de synthèse, de manière spécifique et à différentes concentrations, des insaturations de type trans-vinylène, dans les chaînes de polyéthylène. Les polymères résultants ont été irradiés, en atmosphère inerte, avec des rayonnements de faibles TEL (gamma, bêta) et de forts TEL (ions lourds). Tant les défauts macromoléculaires que l'émission de dihydrogène ont été quantifiés. Il apparaît, sur la base des résultats expérimentaux, que l'apport des groupements trans-vinylènes est prédominant dans la radio-stabilisation du polyéthylène en atmosphère inerte.

Les matières plastiques ont désormais envahi notre quotidien. Elles sont le symbole de la société de consommation, car elles sont considérées comme un matériau non noble : les consommateurs l'assimilent à un produit jetable après usage. N'étant pas dégradables, les plastiques représentent donc un réel danger pour l'environnement, la faune et la flore.L’objectif de ce travail de thèse a été de développer en collaboration avec l’Institut des Sciences Analytiques et de Physico-Chimie pour l'Environnement et les Matériaux (Université de Pau) de nouvelles formulations avec des additifs naturels pour obtenir des plastiques résistants et recyclables. Deux types de résines ont été utilisées : le polypropylène isotactique (i-PP) et le polyéthylène à basse densité (LDPE). Des antioxydants naturels tels que l’acide ascorbique, l’alpha-tocophérol et l’huile de lin ont été testés et leur encapsulation a permis d’améliorer leur résistance à la dégradation. Les caractérisations thermique et rhéologique des résines ont montré des qualités supérieures aux résines commerciales actuelles. Nous avons pu démontrer que les plastiques obtenus pouvaient être recyclés 9 fois sans perte de leurs caractéristiques. Des essais avec des barquettes fabriquées avec les produits élaborés sont en cours pour valider les modèles développés. / Plastics have now invaded our daily lives. They are the symbol of the consumer society, because they are considered a non-noble material: consumers equate it with a disposable product after use. Since plastics are not degradable, they represent a real danger to the environment, fauna and flora.The objective of this thesis work was to develop in collaboration with the Institute of Analytical Sciences and Physico-Chemistry for Environment and Materials (Pau University) new formulations with natural additives to produce resistant and recyclable plastics. Two types of resins were used: isotactic polypropylene (i-PP) and low density polyethylene (LDPE). Natural antioxidants such as ascorbic acid, alpha-tocopherol and flaxseed oil were tested and encapsulated to improve their resistance to degradation. Thermal and rheological characterizations of resins have shown superior qualities to current commercial resins. We were able to demonstrate that the plastics obtained could be recycled 9 times without losing their characteristics. Tests with trays made with the developed products are underway to validate the developed models.

Les déchets plastiques s'accumulent depuis plusieurs décennies dans les océans où ils se fragmentent en particules appelés microplastiques lorsque leur taille est inférieure à 5 mm. Ces microplastiques sont retrouvés dans toutes les eaux du globe, dans les sédiments ainsi que dans de nombreux organismes marins. Le devenir physicochimique à long terme de ces particules et leur possible fragmentation en nanoplastiques sont complexes, encore peu documentés et nécessitent des études en laboratoire.Afin de comprendre les processus liés à la photodégradation et à la fragmentation des polymères dans l’environnement, mais également dans le but d’'appréhender l’évolution des fragments générés au cours de l’irradiation, un protocole de vieillissement accéléré en milieu abiotique a été mis en place sur des polymères modèles. Le suivi de l’oxydation et de la fragmentation des deux polymères étudiés,polyéthylène basse densité et polypropylène, a été mené à l’aide de techniques spectroscopiques (infrarouge, Raman), DSC, angles de contact, et microscopiques (lumière polarisée, MEB, AFM…).Ce travail a permis de mettre en évidence l’influence significative de l’environnement et de la morphologie initiale des polymères sur leurs cinétiques de vieillissement et leurs mécanismes de fissuration. Ainsi des distributions en nombres, tailles et formes de fragments très différentes ont été obtenues pour les deux polymères selon la présence d’eau. Enfin, après un long temps d’irradiation, des produits de dégradation ont pu être détectés mais la production significative de nanoplastiques n’a pas été démontrée. L'hypothèse d'une taille limite de fragmentation devrait être envisagée. / Plastic wastes have been accumulating for several decades in the oceans where they break up into particles called microplastics when their size is less than 5 mm. These microplastics are found in all earth’s waters, in sediments and in many marine organisms. Their long-term physico-chemical fate and their possible fragmentation into nanoplastics are complex, still poorly documented and require laboratory studies.In order to understand the processes related to photodegradation and fragmentation of polymers, but also in order to understand the evolution of these fragments during irradiation, an accelerated aging protocol in abiotic conditions has been set up. The oxidation and fragmentation of two model polymers, low density polyethylene and polypropylene, were monitored using spectroscopic techniques (InfraRed, Raman), DSC, contact angles and microscopic technics (light microscopy, polarized light, SEM, AFM ...).This work has demonstrated a significant influence of the environment and the initial morphology of the polymers on their kinetics of aging and cracking mechanisms. This lead to significantly different distributions in numbers, sizes and shapes of the generated fragments. Moreover, after a long time of irradiaiton, other degradation products could be detected but the significant production of nanoplastics has not been demonstrated. The possibility of a size limit below which the fragmentation rate of plastics would strongly decrease should be considered.

Afin d’améliorer le recyclage des thermoplastiques, de nouveaux mélanges sont étudiés pour élargir les débouchés offerts à ces matériaux. Ils visent à combiner efficacement les contributions de deux dispersions de polyéthylène (PE) et de polyamide (PA) pour renforcer les propriétés d’une matrice polypropylène (PP). Des stratégies de compatibilisation spécifiques à chaque phase minoritaire sont mises en place. Elles permettent d’élaborer en une seule étape d’extrusion réactive un mélange de deux dispersions nodulaires submicroniques et indépendantes. Grâce aux interphases de copolymères polyoléfines entourant le PE, ces particules facilitent l’écoulement plastique des macromolécules de PP avoisinantes à la place de la fissuration de la matrice. Entre le PP et le PA, deux compatibilisations différentes sont appliquées. Celle utilisant le polypropylène greffé d’anhydride maléique (PPgMA) forme une interface rigide et cohésive. Le module et la tenue en température supérieure du polyamide se répercutent alors sur les propriétés du mélange sans pour autant provoquer de fragilisation du matériau à température ambiante grâce à l’effet toujours efficace des particules de PE permettant de dissiper les contraintes concentrées autour du PA. Une compatibilisation alternative à base de poly(styrène-bloc-(éthylène-co-butylène)-bloc-styrène) greffé d’anhydride maléique (SEBSgMA) forme une interphase souple autour des particules de PA. Au lieu d’augmenter le module des mélanges, cette dispersion se comporte alors elle aussi comme un modifiant choc souple et augmente la déformabilité du mélange. Il est possible de tirer profit de la morphologie hétérogène du matériau pour localiser préférentiellement des particules de talc dans la phase PA des mélanges ternaires et ainsi minimiser le contact entre la charge et la matrice. Ainsi, les cavités formées par décohésion de l’interface charge/polymère restent confinées au sein d’une phase dispersée ce qui minimise leur impact sur la déformabilité du mélange. Le module d’Young de la phase PA est par contre augmenté ce qui se fait sentir sur le composite dans son ensemble. Une telle démarche permet de combiner rigidité et ténacité dans un mélange hétérogène de polymères. / In order to increase thermoplastic polymer recycling, new blends are studied to open-up new prospects for such materials. The objective is to efficiently combined the effects of two minor phases of polyethylene (PE) and polyamide (PA) to tune the properties of a polypropylene matrix (PP). Specific compatibilisation strategies adapted to each minor phase are established. They allow the self-arrangement in only one step of reactive-extrusion of a controlled morphology with two nodular and independent particle populations finely dispersed in the PP based blend. Thanks to the polyolefin copolymer interphases around PE, these particles promote PP shear yielding instead of matrix crazing. Two different compatibilisation routes are applied at PP/PA interface. The one using maleic anhydride grafted polypropylene (PPgMA) forms strong bonds between the two homopolymers and a stiff interface. In this case, the higher PA Young’s modulus strengthens the entire blend without inducing brittleness at room temperature thanks to the presence of the PE particles acting as stress dissipater around PA nodules. The alternative compatibilisation based on maleic anhydride grafted styrene-ethylene-buthylene-styrene bloc copolymer (SEBSgMA) creates a soft interphase around PA particles. Instead of heighten the blend modulus, this compatibilizer makes the PA particles appear very flexible and act as an impact modifier, and therefore increases the deformation capability of the blend. It is possible to take advantage of the heterogeneous morphology of the ternary polymer blend to design particular composites. Inorganic particles such as talc can be preferentially localized in the PA particles of the blend, minimizing contacts between the filler and the PP matrix. Thus, the cavities due to polymer/filler interface debonding stay confined within a dispersed phase which prevent their growth and the apparition of a catastrophic fracture. On the other hand, talc increases the Young’s modulus of PA particles and consequently the modulus of the entire composite. The design of such a heterogeneous material allows the increase of both strength and toughness simultaneously.

Ce travail propose une nouvelle approche de la description des phénomènes physiques qui interviennent dans le cadre de la modélisation de l'interaction plasma-isolant. Pour cela un code de calcul de dynamique moléculaire à été réalisé pour décrire les mécanismes fondamentaux qui régissent cette interaction à l'échelle microscopique.<br />Une étude fondamentale de la dynamique moléculaire, basée sur l'utilisation des méthodes numériques particulières comme les intégrateurs symplétiques et l'exploitation des différents potentiels d'interactions existants (Morse, Lennard-Jones...), a abouti à deux modèles de polymère : le polyéthylène ou PE (CH2)n. Le premier modèle dit simplifié consiste à considérer un groupement CH2 comme un atome fictif de masse molaire 14g, tandis que le second plus complet traite la dynamique de l'atome d'hydrogène au sein de la macromolécule. Ces deux modèles sont utilsés, dans le cadre de ce travail, pour diverses interactions.<br />Par ailleurs, des mesures expérimentales de perte de masse des matériaux polymères qui interagissent avec un plasma, créé par l'explosion d'un fil de cuivre, sont exposées. Ces résultats sont corrélés par des calculs théoriques de thermodynamique qui montrent une différence de comportement des deux polymères testés : le polyéthylène et le polyoxyméthylène, POM ou Delrin (CH2O)n.

L'évaluation de la résistance à l'ouverture des mailles dans les filets de pêche est un enjeu important pour l'évaluation de la sélectivité des chaluts, et plus largement des engins de pêche. Les objectifs de cette thèse sont de développer et d'évaluer une méthodologie pour l'évaluation de la résistance à l'ouverture des mailles dans les filets. Différentes méthodes existent déjà (Sala et al., 2007, Priour and Cognard, 2011, Balash, 2012, De la Prada and Gonzales, 2013). Notre objectif est de proposer une méthode expérimentale simple et ne nécessitant pas d'équipements coûteux pour pouvoir être déployée facilement dans les laboratoires et dans l'industrie de la pêche, combinée avec un modèle numérique capable de représenter le comportement mécanique non-linéaire d'un filet. Le filet, constitué de fils tressés ou toronnés, en Polyéthylène ou Polyamide, présente une structure complexe. De plus, les filets peuvent être soumis à de grandes déformations. Afin d'étudier la réponse mécanique des filets à différents types de sollicitations et de créer une base de données expérimentale, de nombreux essais ont été effectués sur un large éventail de filets de pêche. Plusieurs méthodes numériques pour l'évaluation de la résistance à l'ouverture des mailles à partir de données expérimentales ont été développées. Ces travaux offrent une avancée scientifique pour l'évaluation de la résistance à l'ouverture des mailles : malgré le comportement mécanique visco-élasto-plastique des échantillons de filet, une méthodologie plus simple et plus précise que celles existantes, basée sur un dispositif expérimental simple et un modèle éléments finis libre de droits, est présentée. / The evaluation of the mesh resistance to opening in fishing nets is an important issue to assess the selectivity of trawls, and more broadly of fishing gear. The objectives of this thesis are to develop and to assess a methodology for the evaluation of the mesh resistance to opening in netting structures. Several methods are already proposed (Sala et al., 2007, Priour and Cognard, 2011, Balash, 2012, De la Prada and Gonzales, 2013). This thesis aims at proposing a simple experimental test that does not require expensive devices to be easily spread in laboratories and in the fishing industry, a simple test combined with a numerical model able to represent the non-linear mechanical behaviour of a tested netting panel. The netting structure, constituted of braided or stranded twines, made of Polyethylene or Polyamide, is complex. Moreover, the fishing nets can be subjected to large deformation. In order to study the mechanical response of netting samples to different types of solicitations and to obtain experimental data, numerous experimental tests were performed on a large range of netting samples. Several numerical methods for the evaluation of the mesh resistance to opening using experimental data were developed. This work offers scientific advance for the evaluation of the mesh resistance to opening: despite the visco-elasto-plastic mechanical behaviour of netting samples, one more accurate and simpler methodology than the existing ones, based on a simple experimental set up and on a free of rights finite element model, is presented.

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Des procédés innovants basés sur l’extrusion à haute vitesse et l’irradiation sous rayonnement γ, ont été étudiés en vue d’améliorer la compatibilisation de deux polyoléfines non miscibles : le polypropylène PP et le polyéthylène PE. Dans un premier temps, l’étude de la distribution des temps de séjour de polypropylènes dans l’extrudeuse à haute vitesse a été réalisée. L’impact des conditions opératoires (débit et vitesse de rotation des vis) ainsi que l’impact du profil de vis et de la viscosité du polypropylène d’étude ont été mis en avant. Certains résultats expérimentaux sont souvent en accord avec ceux du logiciel de simulation d’extrusion bi-vis Ludovic, bien qu’il puisse y avoir des écarts pour les hautes vitesses de rotation des vis. Dans un deuxième temps, une fois l’écoulement caractérisé, nous avons réalisé des mélanges PP/PE, les paramètres qui ont varié sont la quantité d’énergie apportée durant le mélange (vitesse de rotation des vis) ainsi que la présence ou non de copolymère préformé et le type d’atmosphère utilisée durant l’extrusion. Faire varier le taux de cisaillement ne permet pas la modulation des propriétés finales du mélange surtout lorsque l’on extrude sous atmosphère inerte. L’utilisation de copolymère préformé, de type éthylène-octène, permet d’améliorer considérablement les propriétés de notre mélange en créant une interphase "cœur-couronne" entre la matrice PP, le compatibilisant et la phase dispersée PE. Pour terminer, une étape d’irradiation γ a été ajoutée au procédé de mise en œuvre classique de nos mélanges. En première partie de cette étude, la simulation de spectres RPE a permis d’identifier et quantifier les différentes espèces radicalaires créées. Dans la deuxième partie, l’influence de la place de la séquence d’irradiation a été étudiée : avant extrusion, entre extrusion et injection, après injection et avant recuit. Les meilleures améliorations ont été obtenues lorsque l’irradiation est suivie d’un traitement thermique. En conclusion, il est possible d’améliorer la compatibilité d’un mélange PP/PE en jouant essentiellement sur l’ordre des étapes de production sans avoir à modifier la formulation de ce dernier. / Innovative processes, based on high shear twin screw extrusion and γ-irradiation, have been used to increase the compatibility of two immiscible polyolefins: polypropylene PP and polyethylene PE. In a first part, the residence time distribution of polypropylenes in the twin screw extruder (TSE) has been investigated. The impact of the processing conditions (throughput and screw rotation speed), the screw profile and the polypropylene viscosity were underlined. Some of the experimental results are often in good agreement with those predicted by simulation software of twin screw extrusion (Ludovic), except for some experiments at high screw rotation rates. In a second part, once polymer flow was characterised in the TSE, we realized PP/PE blends. The impact of the mechanical energy (screw rotation speed), the presence or absence of copolymers and the nature of the extrusion atmosphere were analysed. Using high shear rate does not allow modulating the final properties of the blends particularly once inert atmosphere is used. The use of ethylene-octene copolymers increases significantly the final properties of the PP/PE blends by creating a “core-shell” morphology between the PP matrix, the copolymer and the PE dispersed phase. To finish, a γ-irradiation process step has been added to the classical processing of PP/PE blends. In a first part of this study, the simulations of ESR spectra have permitted to identify and quantify the different radicals created. In a second part, the sequence order of the γ-irradiation has been investigated: before extrusion, between extrusion and injection, and after injection followed by a thermal treatment. The best results were obtained once γ-irradiation is followed by a heat treatment. As a conclusion, the compatibility of immiscible polyolefins can be improved only by changing the order of the different processing steps without changing the formulation.