Le travail reporté dans ce manuscrit concerne l’élaboration de matériaux conducteurs protoniques destinés à une application en tant que membrane de PEMFC. L’approche considérée, relativement récente dans ce domaine, consiste à élaborer des réseaux seminterpénétrés(semi-IPN). Pour ce faire, un polymère linéaire conducteur protonique (unPEEK sulfoné) a été associé à un réseau réticulé fluoré de type poly(aryl étherperfluorocyclobutane) (PFCB). Ces macromolécules sont obtenues par cyclodimérisationthermique de monomères bis et tris-trifluorovinyléther (TFVE). Différentes séries de semi-IPN ont été élaborées en faisant varier la nature du PFCB, le taux de réticulation, le procédéde mise en oeuvre et le taux de réseau incorporé au sPEEK. L’ensemble des résultats montrequ’il existe une composition pour laquelle les propriétés de conductivité, de gonflement et detenue mécanique sont optimales. Une membrane ayant une conductivité de 155 mS.cm-1 et ungonflement à l’eau deux fois inférieur à celui du sPEEK (dont la conductivité s’élève à127 mS.cm-1) a été obtenue grâce à un ajout de 10 % en masse en réseau fluoré. Par ailleurs,l’incorporation dans le réseau PFCB de monomères contenant des fonctions sulfoniques a étéenvisagée. Un travail important de chimie organique a permis d’obtenir des molécules bis-TFVE comportant des fonctions sulfonées protégées sous forme d’ester sulfonique. Lapolycondensation directe de ces molécules a permis la synthèse de polymères PFCB linéairesconducteurs protoniques d’une CEI préalablement déterminée. / This thesis deals with the conception of proton conducting materials used as PEMFCmembrane. The proposed approach is quite new in this application field and is based on thedevelopment of semi-interpenetrating networks (semi-IPN). A linear conducting polymer(sulfonated PEEK) was combined with a crosslinked fluorinated network, a poly(aryl etherperfluorocyclobutane) (PFCB). These macromolecules are obtained by thermalcyclodimerization of bis and tris trifluorovinylether monomers (TFVE). Different series ofsemi-IPN were prepared by changing the PFCB nature, the crosslinking degree, the synthesisprocess and the proportion of the network added to the sPEEK. The overall results show aspecific semi-IPN composition for which the conductivity, the swelling and mechanicalstrength properties are optimal. A membrane with a proton conductivity of 155 mS.cm-1 and alimited water swelling (50 % lower than for a sPEEK membrane which exhibits a protonconductivity of 127 mS.cm-1) is obtained by adding 10 wt-% of fluorinated network. Inaddition, the incorporation of sulfonated TFVE monomers into the network PFCB has beenconsidered. A significant effort in organic chemistry enabled the synthesis of bis-TFVEmolecules containing protected sulfonated functions in a sulfonate ester form. Linearconducting PFCB polymers with a predeterminated IEC were obtained by directcopolycondensation of these monomers.

Les matières premières biosourcées s'avèrent être une possibilité de substitution du pétrole de plus en plus prisée dans le domaine des matériaux. De plus, l'utilisation de procédé propre limitant l'impact environnemental du développement de matériau est aujourd'hui incontournable. Dans ce contexte, l'acide aminé L-lysine, un nouveau synthon issu des biotechnologies blanches peu étudié dans le domaine de la chimie des matériaux, a été retenu. Ce synthon sera modifié pour la conception de macromonomères polymérisables sous irradiation UV. En effet, la technique de photopolymérisation est un procédé propre en plein essor, et qui permet le développement de revêtement.La L-lysine étant peu soluble dans les milieux organiques classiques, une étape de transformation est nécessaire pour améliorer sa processabilité. Ainsi, la polycondensation en masse de la L-lysine a conduit à des oligomères de poly-L-lysine de faibles masses molaires. La détermination de la structure obtenue a été réalisée par différentes techniques d'analyses. Ces oligomères sont alors greffés par des fonctions photopolymérisables dans des conditions douces. Le choix s'est porté sur des fonctions accepteur et donneur d'électron. Enfin, l'étude de la photopolymérisation des oligomères de L-lysine greffés accepteurs donneurs a été effectuée par la technique UV aqueuse, une technique innovante et respectueuse de l'environnement, dans différentes conditions pour en optimiser le système. / Biobased raw materials are an interesting and promising option for the substitution of fossil resources in material design. Moreover, using green processes which limit environmental impact of the material conception can't be avoided nowadays. In this context, the L-lysine amino acid, a building block made by white biotechnologies and poorly described in material field has been evaluated. As photopolymerization is a green process in great expansion and allowing coating design, this building block has been modified into a photocurable macromonomer.L-lysine is hardly soluble in usual organic solvents, a transformation step is necessary in order to improve its processability. Thus, L-lysine polycondensation has been tackled and led to oligomers of poly-L-lysine with low molar mass and improved solubility. In addition, the structure determination has been undertaken by different analytic technics. These oligomers can thus be grafted with photocurable functional groups in mild conditions. The chosen photocurable functional groups are donor acceptor of electron. At last, the photopolymerization of L-lysine based oligomers grafted with donor acceptor functional groups has been done by UV waterborne technic which is innovative and environmentally friendly. The photopolymerization has been carried out in different conditions in order to optimize the process.

Ce travail est basé sur la synthèse d’un liant aluminosilicaté de type géopolymère à partir de différentes argiles tunisiennes. Afin de comprendre les mécanismes de géopolymérisation, une première étape a concerné la caractérisation des matières premières argileuses par différentes méthodes d’analyses ainsi que leur comportement vis-à-vis du traitement thermique. La faisabilité des matériaux consolidés a été étudiée afin de comprendre le rôle des minéraux associés et la granulométrie de l’argile, en présence d’une solution de référence et de sources aluminosilicatées connues, sur les produits synthétisés. Afin d’identifier le rôle de la solution alcaline, de nouvelles formulations ont été élaborées et comparées aux précédentes en présence des argiles tunisiennes. Plusieurs techniques ont été réalisées pour évaluer les matériaux au cours de leur formation par spectroscopie infrarouge et après consolidation par diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage et analyse thermique. Leurs propriétés mécaniques ont été testées par compression. / This work is based on the synthesis of geopolymers from different Tunisian clays. In order to understand the geoplymerization mechanisms two steps are established. The first is relate to the characterization of the raw clays materials through different analyzes and their behavior with thermal treatment. The second involve around the study of geopolymers feasibility in order to understand the role of associated minerals and particle size, in the presence of a reference solution and aluminosilicate sources, on the synthesized products. To identify the role of the alkaline solution, new formulations have been developed and compared with previous one in the presence of Tunisian clays. Several techniques are used to characterize the materials during their formation: Infrared Spectroscopy, X ray diffraction, Scanning Electron Microscopy analysis and Thermal analysis. Their mechanical properties were tested by compression.

Les matériaux céramiques à base de bore dans le système quaternaire Si-B-C-N présentent des propriétés de grand intérêt grâce aux liaisons covalentes et à la faible mobilité des éléments bore et silicium dans leurs phases nitrure et carbure, ce qui amène une grande fiabilité mécanique et une bonne stabilité thermique. Ces dernières années, la voie « polymères précéramiques » est devenue la plus intéressante pour la préparation des ce type de céramiques avancées. En utilisant la thermolyse de polymères, une large variété de céramiques dérivées de polymères précéramiques peut être produite à partir de précurseurs moléculaires, en contrôlant la structure de l'unité monomérique, la polymérisation et la procédure de thermolyse. Notamment la thermolyse directe des polymères est une voie compatible avec plusieurs types de techniques de mise en forme, entre autres l'infiltration ou le filage, qui offrent la possibilité de réaliser structures et objets avec des formes complexes avec une approche simple et à faible coût. La première génération de fibres SiBCN a été obtenue à partir du polymère de type [B(C2H4SiCH3NCH3)3]n. Celle-ci présentait de bonnes propriétés mécaniques et une bonne stabilité thermique. Ce manuscrit présente une étude sur le développement de ce type de polymères, en particulier l'optimisation du filage et de la qualité de fibres à travers la modification des voies de synthèse et des traitements de thermolyse. De plus, une élaboration de nouveaux précurseurs moléculaires est développée afin de produire une nouvelle génération de fibres SiBCN / Boron-based ceramic materials in the quaternary Si-B-C-N system are of great interest because of their covalent bonding and the poor mobility of boron and silicon elements in their respective nitride and carbide which both provide mechanical reliability and high temperature stability. In recent years, the PDCs route became of increasing interest for the preparation of such advanced ceramics. Using the general polymer thermolysis route, a large variety of net-shaped polymerderived ceramics can be built up from molecular units and shaped by controlling the structure of the molecular units as well as the polymerization and thermolysis procedures. Interestingly, the direct polymer thermolysis route makes polymers compatible with many shaping techniques such as infiltration or melt-spinning offering the opportunity to realize complex shapes/structures in a simple and cost-efficient way.The first generation of such fibers obtained from a polymer type [B(C2H4SiCH3NCH3)3]n showed good mechanical properties and thermal stability. This document is about the development of such a polymer in order to optimize spinnability and fibers quality throught synthesis modification and thermolysis treatments. Moreover, design of new preceramic polymers is investigate to produce a new generation of SiBCN fibers

Ces travaux de thèse traitent de la valorisation des huiles végétales comme plateforme pour la synthèse de polyesters d’architecture hyper-ramifiée. Pour ce faire, l’approche par polycondensation de monomères de type ABn (n ≥ 2) a été privilégiée. Des précurseurs plurifonctionnels portant des fonctions ester (A) et alcool (B) ont ainsi été préparés par modification chimique d’huiles végétales et/ou d’esters méthyliques d’acide gras. Plusieurs méthodologies de synthèse simple, sûres et efficaces ont été mises en place afin de garantir une réalité industrielle à ce projet. Deux plateformes de monomères de type ABn ont été obtenues par (1) hydrolyse acide d’huiles végétales époxydées et (2) en faisant appel à des réactions d’addition de thiol-ène et de métathèse. Le développement de procédés de polycondensation en masse, a alors permis l’accès à de nouveaux polyesters hyper-ramifiés. La densité de ramifications ainsi que les propriétés thermo-mécaniques de ces matériaux ont été modulées par le choix adapté de la structure chimique des précurseurs ‘gras’ utilisés. Enfin, un travail exploratoire a été conduit concernant la post-fonctionnalisation du coeur comme de la périphérie de ces polyesters hyper-ramifiés dans le but de moduler leurs propriétés et ainsi d’étendre la portée de leurs applications, des plastiques de commodité aux matériaux avancés. / The aim of this thesis was to use vegetable oils as a platform for the design of more sustainable polyesters of hyperbranched architecture. For that purpose, the approach by polycondensation of ABn-type monomers (n ≥ 2) was favored. Plant oils and/or fatty acid methyl esters were chemically modified to synthesize multifunctional precursors featuring ester (A) and alcohol moieties (B). Simple, safe and efficient chemical transformations were considered to provide industrial perspectives to this work. Two main platforms of ABn-type monomers were developed by (1) acid hydrolysis of epoxidized vegetables oils and (2) thiol-ene/metathesis coupling reactions. The subsequent polycondensation of these oily-derived monomers, performed in bulk, gave access to novel renewable hyperbranched polyesters. The branching density as well as the thermo-mechanical properties of these materials were adjusted by designing and selecting the chemical structure of the fatty acid-based monomers. Finally, an exploratory work was carried out regarding the post-functionalization of both the core and the periphery of these hyperbranched polyesters with the aim at tuning their properties and thus opening the scope of their applications, from commodity plastics to advanced materials.

L’objectif du projet est de préparer de nouveaux copolyéthers hydrophiles biosourcés, non ioniques, pour des applications cosmétiques proches de celles du polyéthylène glycol (PEG). Le polytriméthylène éther glycol (PTEG), dont la structure ressemble à celle du PEG, a été synthétisé par polymérisation du 1,3-propanediol biosourcé (PDO) en catalyse acide. Parmi les catalyseurs testés, l’acide sulfurique est le plus approprié pour polymériser le PDO sans dégradation excessive. Pour augmenter la solubilité du PTEG dans l’eau, des copolymères associant des unités PDO et des unités hydrosolubles type isosorbide et glycérol ont été envisagés. Ainsi, nous avons montré que l’éthérification en catalyse acide entre l’isosorbide et le PDO (ou le PTEG) conduit à de nouvelles structures de copolyéthers que nous avons finement caractérisés par RMN et spectrométrie de masse. Ces copolyéthers ont des extrémités préférentiellement constituées d’unités isosorbide, du fait d’un différentiel de réactivité entre le PDO et l’isosorbide. En revanche, l’éthérification du PDO et du glycérol par catalyse à l’acide sulfurique ou par catalyse basique n’a pas abouti. En effet, dans le premier cas, on observe une très forte dégradation voire une réticulation et dans le deuxième cas, seule l’homopolymérisation du glycérol est observée. Pour compléter, la réaction entre du carbonate de glycérol et un oligomère de PTEG donne les dérivés souhaités, même si le milieu réactionnel reste riche en polyglycérol libre. Les produits les plus prometteurs de l’étude sont des copolyéthers de PDO et d’isosorbide, d’environ 600 g/mol, obtenus par éthérification en catalyse acide. Ces nouveaux copolyéthers ont des bouts de chaînes constitués d’unités isosorbide, sont hydrosolubles et ont une stabilité thermique améliorée par rapport aux PTEG. / The aim of this project is to prepare some new hydrophilic biobased copolyethers for cosmetic applications, similar to those of polyethylene glycol (PEG). Synthesis of polytrimethylene ether glycol (PTEG) which has a chemical structure close to the PEG was studied by polymerizing 1,3-propanediol (PDO) with sulfuric acid as catalyst. This acid catalyst is appropriate to promote the polymerization of PDO without excessive degradation. We tried to increase the solubility of PTEG in water by combining to PDO units hydrophilic monomers, such as isosorbide and glycerol, to the PDO units. We showed that etherification of isosorbide and PDO (or PTEG), in the presence of acid catalyst, gives new copolyethers structures, deeply characterized by NMR and mass spectroscopy. These copolyethers are preferably ended by isosorbide units due to different reactivity between isosorbide and PDO. The etherification of the PDO and glycerol with sulfuric acid results in a cross-linked and degraded product. Basic catalytic route favored the polymerization of glycerol on itself rather than the etherification on PDO units. We also grafted glycerol carbonate on PTEG oligomer but obtained a complex composition mixture rich in polyglycerol. The most promising products of the study are PDO and isosorbide copolyethers with a molar mass of 600 g/mol, obtained by etherification with sulfuric acid as catalyst. These copolyethers have chain ends constituted by isosorbide units, are water soluble and have a higher thermal stability compared to PTEG.

Thesis (MSc (Chemistry and Polymer Science))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: Unsaturated polyesters resins (UPRs) of maleic anhydride (MA), phthalic anhydride (PA) and propylene glycol (PG) were synthesized using the fusion polycondensation process for use in Multi-vesiculated Particles (MVPs). The UPRs were synthesized using different MA:PA mole ratios and process parameters, including heating rates, agitation speed, exotherm rate and maximum processing temperature. Design of Experiments (DoE) software (Design Expert 7) was employed to find the optimum experimental space, i.e. least amount of experiments, but covering all the factors. The variations in the formulation and process parameters had a significant effect on the molecular structure and physical properties of the UPRs. The molecular structure and physical properties of the UPRs was successfully determined using various techniques including viscometry, acid-base titration, Proton Nuclear Magnetic Resonance (1H NMR) spectroscopy, Size-Exclusion Chromatography (SEC), Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy and Differential Scanning Calorimetry (DSC). Furthermore, the carboxyl and hydroxyl end-group concentrations of the UPRs were determined by derivatization of the groups with trichloroacetyl isocyanate (TAI) and analysis by 1H NMR. As a second part of the study, the effect of the above-mentioned monomer ratio and process factors of the UPRs, on the properties of the MVPs (produced from the UPRs), was investigated. Results showed that these factors had a significant effect on the particle size and degree of vesiculation of the MVPs. The degree of vesiculation of the MVPs was determined by Scanning Electron Microscopy (SEM). Attempts were also made to determine the relative hardness of the MVPs by AFM and microhardness testing to determine a relationship with UPRs properties (e.g. molecular weight, degree of unsaturation and chain branching). These techniques were however found to be unsuitable due to the physical nature of the MVPs. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Onversadigde poliësters (OPs) van maleïensuuranhidried (MA), fataalsuuranhidried (PA) en propileen glikol (PD) is berei deur die fusie polikondensasie-proses vir gebruik in multi-vesikulerende partikels (MVPs). Die OPs is berei deur gebruik te maak van verskillende MA:PA molverhoudings en reaksie faktore wat verhittingstempo‟s, roerspoed, eksoterm tempo en maksimum reaksie temperatuur, insluit. As gevolg van die groot hoeveelheid faktore is eksperimentontwerp sagteware (Design Expert 7) gebruik om die aantal eksperimente te verminder, maar ook waardevolle afleidings van die data te maak. Die verskille in die formulasie en reaksie faktore het „n merkwaardige effek op die molekulêre struktuur en fisiese eienskappe van die OPs gehad. Hierdie eienskappe is bepaal m.b.v. verskeie tegnieke, naamlik viskometrie, suur-basis titrasie, Proton Kern-Magnetiese Resonansie (1H KMR) spektroskopie, Grootte-Uitsluitings-Chromatografie (SEC), Fourier Transform Infrarooi (FTIR) spektroskopie en Differensiële Skandeerings Kalorimetrie (DSC). Die hidroksiel en karboksielgroep konsentrasies van die OPs is bepaal deur hul reaksie met trichloroasetiel-isosianaat (TAI) gevolg deur 1H KMR analise. In die tweede deel van hierdie studie is die invloed van bogenoemde faktore op die eienskappe van die MVPs ondersoek. Die resultate het getoon dat hierdie faktore „n merkwaardige effek op die partikel grootte en graad van “vesiculation” van die MVPs gehad het. Die graad van “vesiculation” van die MVPs is bepaal met behulp van Skandeer Elektron Mikroskopie (SEM). Pogings is ook gemaak om die relatiewe hardheid van die MVPs te bepaal deur middel van AFM en Mikro-hardheid toetsing. Dit is gedoen om die verhouding van die OPs eienskappe (molekulêre gewig, graad van onversadigheid en sy-kettings) vas te stel. Hierdie tegnieke is egter ongeskik bevind as gevolg van die inherente fisiese aard van die OPs.

Modeling the competition between drying and curing processes in polymerizing films is of great importance to many existing and developing materials synthesis processes. These processes involve multiple length and time scales ranging from molecular to macroscopic, and are challenging to fully model in situations where the polymerization is non-ideal, such as sol-gel silica thin film formation. A comprehensive model of sol-gel silica film formation should link macroscopic flow and drying (controlled by process parameters) to film microstructure (which dictates the properties of the films). This dissertation describes a multiscale model in which dynamic Monte Carlo (DMC) polymerization simulations are coupled to a continuum model of drying. Unlike statistical methods, DMC simulations track the entire molecular structure distribution to allow the calculation not only of molecular weight but also of cycle ranks and topological indices related to molecular size and shape. The entire DMC simulation (containing 106 monomers) is treated as a particle of sol whose position and composition are tracked in the continuum mass transport model of drying. The validity of the multiscale model is verified by the good agreement of the conversion evolution of DMC and continuum simulations for ideal polycondensation and first shell substitution effect (FSSE) cases. Because our model allows cyclic and cage-like siloxanes to form, it is better able to predict the silica gelation conversion than other reported kinetic models. By studying the competition between molecular growth and cyclization, and the competition between mass transfer (drying) and reaction (gelation) on the drying process of the sol-gel silica film, we observe that cyclization delays gelation, shrinks the molecular size, increases the likelihood of skin formation, and leads to a molecular structure gradient inside the film. We also find that compared with a model with only 3-membered rings, the molecular structure is more complicated and the structure gradients in the films are larger with 4- membered rings. We expect that our simulation will allow better prediction of the formation of structure gradients in sol-gel derived ceramics and other nonideal multifunctional polycondensation products, and that this will help in developing procedures to reduce coating defects.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Ce mémoire traite de la synthèse et des propriétés thermiques et mécaniques de polyesteramides statistiques et quasi-alternés obtenus à partir de l’ε-caprolactone et d'acides aminés naturels (β-alanine, glycine et α-alanine). Les polyesteramides statistiques ont été obtenus par ouverture de cycle et polycondensation simultanée des deux monomères par une méthode monotope, tandis que les polyesteramides quasi-alternés ont été élaborés par polyestérification d’un dimère à extrémités hydroxy et ester, préalablement synthétisé par réaction entre ε-caprolactone et ester d'acide aminé. La structure et la microstructure de ces polyesteramides ont été étudiées par spectroscopiques IRTF et RMN 1D et 2D. Les polyesteramides obtenus en deux étapes présentent, comme attendu, une forte tendance à l'alternance, alors que ceux obtenus par synthèse monotope sont complètement statistiques. L’étude des propriétés thermiques par DSC et ATG montre que ces polyesteramides sont semi-cristallins et qu'ils présentent une meilleure stabilité thermique que celle de la poly(ε-caprolactone). Les polyesteramides statistiques contenant des fractions croissantes en β-alanine et supérieures ou égales à 50 mol-% présentent des valeurs de module d’Young et de contrainte à la rupture en traction croissantes et plus élevées que celles de la poly(ε-caprolactone). Les polyesteramides quasi-alternés présentent une cristallinité et des propriétés mécaniques nettement supérieure à celles de leurs homologues statistiques. / This thesis reports the synthesis and thermal and mechanical properties of random or quasi-alternating polyesteramides obtained from ε-caprolactone and natural aminoacids (β-alanine, glycine and α-alanine). The random polyesteramides were obtained by one-pot simultaneous ring-opening and polycondensation of the two monomers, while the alternating ones were prepared by polyesterification of hydroxy- and ester-terminated dimers, previously synthesized by reaction between ε-caprolactone and aminoacid esters. The structure and microstructure of these polyesteramides were studied by FTIR and 1D and 2D NMR spectroscopies. As expected, polyesteramides synthesized by the two-step method present a quasi-alternating structure, while those synthesized by the one-pot method are completely random. The study of their thermal properties by DSC and TGA shows that these polyesteramides are semi-crystalline and present a better thermal stability than poly(ε-caprolactone). For the random polyesteramides with β-alanine fractions greater than or equal to 50 mol-%, increasing β-alanine fractions leads to increasing Young's modulus and tensile strength, larger than those of poly(ε-caprolactone). The quasi-alternating polyesteramides exhibit thermal and mechanical properties well above than those of their random counterparts.