This thesis is aimed to understand the role of nanofiller type, nanofiller dispersion, nanofiller geometry, and, presence of reinforcing fibers in flame retardancy of polymer nanocomposites. For this purpose, montmorillonite nanoclays, multi-walled carbon nanotubes, halloysite clay nanotubes and silica nanoparticles were used as nanofillers in polymeric matrices of poly (methyl methacrylate) (PMMA), high-impact polystyrene (HIPS), polylactide (PLA) and polyamide-6 (PA6) containing certain conventional flame retardant additives. Furthermore, the influence of nanofiller and flame retardant additives on fiber/matrix interfacial interactions was studied. Materials were prepared by twin-screw extrusion melt-mixing and ultrasound-assisted solution-mixing techniques. Characterization of nanocomposite morphology was done by X-ray diffraction and transmission electron microscopy. Flame retardancy was investigated by mass loss cone calorimetry, limiting oxygen index measurements and UL94 standard tests. Flame retardancy mechanisms were revealed by characterization of solid fire residues by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, infrared spectroscopy and X-ray diffraction. Thermal degradation and stability was studied using thermogravimetric analysis. Mechanical properties were determined by tension tests and fracture surfaces were observed under scanning electron microscope. Influence of nanofiller type was investigated comparing the behavior of montmorillonite nanoclay and multi-walled carbon nanotube reinforced PMMA nanocomposites containing phosphorous/nitrogenous intumescent flame retardant. Carbon nanotubes hindered the formation of intumescent inorganic phosphate barrier which caused the samples to be exposed to larger effective heat fluxes during combustion. Contrarily, nanoclays physically reinforced the protective barrier without disrupting the intumescent character, thereby allowing for lower heat release and mass loss rates, and increased amounts of residue upon combustion. Influence of nanofiller dispersion was studied comparing nanocomposite and microcomposite morphologies in montmorillonite nanoclay reinforced HIPS containing aluminum hydroxide flame retardant. Relative to microcomposite morphology, reductions in peak heat release rates were doubled along with higher limiting oxygen index and lower burning rates with nanocomposite formation. Improved flame retardancy was attributed to increased amounts of char residue and lower mass loss rates. Nanocomposite formation allowed for the recovery of tensile strength reductions caused by high loading level of the conventional flame retardant additive in polymer matrix. Influence of nanofiller geometry was investigated for phosphorus based intumescent flame-retarded PLA nanocomposites. Fire performance was increased in the order of rod-like (1-D) &lt / spherical (0-D) &lt / &lt / plate-like (2-D) geometries which matched qualitatively with the effective surface area of nanoparticles in the nanocomposite. Well-dispersed plate-like nanoparticles rapidly migrated and accumulated on exposed sample surface resulting in the formation of strong aluminum phosphate/montmorillonite nanocomposite residue. Mechanical properties were increased in the order of 0-D &lt / 1-D &lt / 2-D nanofillers corresponding to the order of their effective aspect ratios in the nanocomposite. Influence of fiber reinforcement was studied for montmorillonite nanoclay containing short-glass fiber-reinforced, phosphorus/nitrogen based flame-retarded PA6 composites. Substitution of a certain fraction of conventional additive with nanofiller significantly reduced peak heat release rate, delayed ignition and improved limiting oxygen index along with maintained UL94 ratings. Improved flame retardancy was ascribed to the formation of a nanostructured carbonaceous boron/aluminum phosphate barrier reinforced by well-dispersed montmorillonite nanolayers. Fiber/matrix interfacial interactions in flame-retarded PA6 and HIPS containing nanoclays were investigated using a micromechanical approach, and it was found that the influence of nanoclay on the interface depends on crystallinity of polymer matrix. While the fiber/matrix interfacial strength is reduced with nanoclay incorporation into amorphous matrix composites, significant interfacial strengthening was imparted by large surface area, well-dispersed clay nanolayers acting as heterogeneous nucleation sites for the semi-crystalline matrix.

La thèse est consacrée aux matériaux électro-actifs, qui sont développés et conçus pour faire de la conversion entre énergie électrique et énergie mécanique. Avec les nouvelles technologies émergentes de transduction électromécanique, les polymères électro-actifs (EAP) ont gagné une attention considérable. Ils présentent de grandes déformations quand ils sont soumis à un champ électrique. Cependant, ces matériaux présentent de faibles permittivités et exigent pour fonctionner l’application de forts champs électriques. Les recherches entreprises dans la thèse traitent de différentes méthodes ayant pour but d'augmenter la permittivité des polymères et par conséquent d’améliorer les propriétés électromécaniques sous des champs électriques modérés. Les différentes approches consistent à la mise au point de nouveaux matériaux, par la méthode de mélange de polymères ou en utilisant un nouveau type de polymère, et par l'incorporation de nano-charges spéciales dans la matrice polymère. Un mélange de polyuréthane (PU) et PEMG obtenu à partir d'un procédé en solution conduit à des valeurs plus basses de module de Young, mais aussi à de plus faibles permittivités diélectriques. Il est cependant mis en évidence une amélioration des propriétés électromécaniques, par exemple, à le gain à des champs électriques modérés est d’un facteur 2, avec seulement 9% en poids de PEMG. Deux types de Pebax sont testés comme matrice polymère. Des valeurs très élevées de permittivités sont obtenus plus particulièrement pour le Pebax1657 mais liés pour ce matériau à des valeurs élevées de conductivité. En dépit de ces permittivités élevées, seule une légère amélioration de la conversion électromécanique est observée par rapport au polyurethane. Nous nous sommes également intéressés aux nanocomposites de polyuréthane basés sur desnanoparticules d'argent recouvertes de polymère polyvinylpyrrolidone (PVP). Un fin revêtement de polymère sur les nanoparticules d'argent conduit à une meilleure dispersion des charges dans les films de polyuréthane, et des valeurs plus élevées de permittivité. Différentes quantités d'Ag-PVP sont testées jusqu'au seuil de percolation proche de 45% en poids de charges. À partir des mesures par interférométrie laser et du nouveau dispositif de caractérisation croisée, les propriétés électromécaniques optimales sont obtenues pour 20% en poids de Ag-PVP, avecun gain de 2 à 6 par rapport au polyuréthane pur. Afin d'expliquer la différence entre les résultats expérimentaux et attendus, et par conséquent pour parvenir à une meilleure compréhension du comportement électromécanique de ces différents matériaux, certaines hypothèses ont été discutées et testées. Nous avons montré notamment une baisse des permittivités diélectriques sous champs électriques pour les Pebax et les nanocomposites, des problèmes d'absorption d'eau pour les Pebax et une diminution de cristallinité dans le cas des nanocomposites PU-Ag. / The thesis is devoted to electroactive materials, which are developed and designed to make conversion between the electricity and the mechanical form. With newer emerging electromechanical transduction technologies, electroactive polymers (EAP) have gained a considerable attention. The polymers are competitive in many applications such as actuators, sensors, robotic system and biological mimics since they are cheap, light, easy to process, and they present large electric field-induced strains. However, these materials suffer from the low permittivity and high voltage requirement to drive the actuations. The research undertaken for the thesis intends then to provide different methods in order to enhance the polymer permittivity and consequently the electromechanical activities at moderate electric fields. The different approaches consist on the development of new materials by polymer blend method or by using new kind of polymer, and on the incorporation of special nano-fillers in the polymer matrix. A blend of polyurethane (PU) and poly [ethylene-co-(methyl acrylate)-co-(glycidyl methacrylate) (PEMG) obtained from a simple solution method leads to lower values of Young modulus but also lower dielectric permittivities. The PU-PEMG blend presents however an improvement of the electromechanical capabilities, for example it is obtained a two fold increase of the strain at moderate fields with only 9%wt of PEMG.Two types of Polyetherblockamide (Pebax) are tested as polymer matrix. Very high values of permittivities are obtained particulary for Pebax1657 but accompanied for this material by high values of conductivity. Despite these high permittivities (more than 200000 for Pebax 1657 and 500 for Pebax 2533 at 0.1 Hz), only a moderate improvement of the electromechanical capability is observed compared to PU. We are also intererested on polyurethane nanocomposites based on silver nanoparticles coverered by PolyVinylPyrrolidone (PVP) polymer. A little polymer coating of the nanosilver leads to a better dispersion into the polyurethane films and higher values of permittivity. Different amounts of Ag-PVP are tested up to the percolation threshold close to 45%wt of fillers. Based on laser interferometer measurements and new cross characterization device, the optimal electromechanical properties are obtained for 20 %wt of Ag-PVP and a gain of 2 to 6 is obtained compared to pure polyurethane. In order to explain the difference between experimental and expected results and consequently to achieve a better understanding of the electromechanical behaviour of these different materials, some hypotheses were discussed and tested. We have shown particularly a drop of dielectric permittivities under electric fields for Pebax and nanocomposites, some problems of water absorption for Pebax and a decrease of crystallinity for the PU-Ag nanocomposites.

This work is generally aimed to synthesize POSS based BCPs via RAFT polymerization, to study their self-assembly behaviors, to research on the effect of POSS self-assembly structure on the bulk properties and to prepare nanostructured hybrid epoxy via self-assembly of POSS based copolymer. In Chapter1, We studied the RAFT polymerization of POSS macromers and capable to synthesize well defined POSS based BCPs with high POSS fraction and different topology such as AB，BAB and (BA)3. The vertex group and the morphology effect on thermo-mechanical properties of POSS based BCPs as well as the structure-property relationship was investigated. Dispersion RAFT polymerization in apolar solvent was applied and various aggregates with different morphology in Chapter2. Cooling induced reversible micelle formation and transition was found and the pathway selection in vesicle formation was investigated. Nano-construction of O/I hybrid epoxy materials based on POSS based copolymers was investigated in Chapter4. The effect of functional group content on miscibility of POSS based statistic copolymer and epoxy was investigated. A novel method to nanostructure epoxy hybrid involving self-assembly of POSS based BCPs in epoxy was presented. High homogeneity and well size/morphology control of core-corona structure containing rigid POSS core and soluble PMMA corona in networks were obtained.

Les polymères issus de la biomasse génèrent depuis quelques années un engouement certain puisqu’ils apparaissent comme de potentiels substituts aux polymères issus de l’industrie pétrolière. Parmi ces monomères récemment développés, l’acide succinique bio-sourcé a reçu une attention particulière notamment pour des applications dans le domaine des polyesters tels que le poly(butylène succinate). La présente thèse décrit la synthèse de ce polymère par estérification directe de l’acide succinique et du 1,4-butanediol dans un réacteur pilote de 7.5 L. Les principaux paramètres du procédé tels que l’excès de diol, la température de trans-estérification ainsi que la pureté de l’acide succinique ont été étudiés. Une attention particulière a été portée sur le choix du catalyseur (son type, la quantité utilisée …) afin d’observer son influence sur le procédé ainsi que sur la stabilité du polymère final. Puis différentes stratégies de modification du poly(butylene succinate) ont été testées pour améliorer à la fois sa mise en forme par extrusion gonflage et les propriétés des films obtenus. Dans ce but l’introduction d’agents de branchements, de silices nanométriques ainsi que des comonomères rigides a été étudiée. / Polymers issued from biomass present a growing interest, since they seem to be a suitable alternative to conventional petrochemical polymers. Among the newly developed monomers, bio-based succinic acid received a particular attention for its application in the synthesis of aliphatic polyesters such as poly(butylene succinate). The present thesis reports the synthesis of this polymer via the direct esterification of succinic acid and 1,4-butanediol in a 7.5 L pilote scale reactor. Main process parameters such as the diol exces, the trans-esterification temperature as well as the purity of succinic acid have been studied. In addition a special attention was taken to highlight the influence of the catalyst (its type, quantity ...) on the synthesis and on the stability of the resulting polymer. Then several strategies of modification of poly(butylene succinate) have been studied to improve the processability of the polymer via film extrusion blowing and to enhance the properties of polymer films. To that end the introduction of branching agents, silica nanofillers as well as rigid comonomers have been studied.

Le développement de structures de plus en plus légères et présentant des rapports performances/coût toujours plus élevés est un enjeu permanent dans le domaine des transports. Les matériaux polymères présentent des caractéristiques particulièrement bien adaptées à ces besoins. Ce travail de thèse repose sur le développement d’un matériau polymère destiné à être utilisé en tant que liner de réservoir de stockage d’oxygène liquide (LOX). L’objectif est de démontrer une réduction des masses de l’ordre de 20 à 30%, en comparaison avec des structures métalliques. Pour les besoins de l’application, le matériau à développer se doit de présenter une bonne compatibilité au LOX, une faible perméabilité aux gaz, des propriétés mécaniques suffisamment élevées à basse température ainsi qu’une bonne aptitude à la mise en forme par rotomoulage. La première partie de ces travaux a porté sur la compatibilité au LOX des polymères. En tenant compte des théories proposées dans la littérature, des nanocomposites à matrice polyamide 6 (PA6) ont été élaborés et caractérisés afin d’atteindre les performances recherchées. L’influence de différents paramètres supposés régir la tenue à l’oxygène liquide des matériaux polymères a ensuite été déterminée. Les nanocomposites obtenus présentent globalement une bonne compatibilité avec le LOX. Cette étude a également permis de mettre en évidence que les résultats sont fortement dépendants des paramètres liés à l’échantillonnage. Dans un second temps, la processabilité par rotomoulage de ces nanocomposites PA6 a été évaluée. Les propriétés rhéologiques et de stabilité thermique ont notamment été étudiées. Quelques essais de rotomoulage sur les systèmes les plus pertinents ont également été réalisés et ont démontré des résultats encourageants. Dans une dernière partie, les propriétés barrière aux gaz de ces systèmes PA6 ont été étudiées. Les perméabilités mesurées ont été interprétées en tenant compte de la morphologie des mélanges. En particulier, cette étude montre que les nanocomposites à base de PA6 et de graphite lamellaire présentent des performances adaptées pour l’application en raison de l’effet de tortuosité induit par la charge. Les propriétés mécaniques en traction uniaxiale des systèmes élaborés ont finalement été déterminées et confrontées aux spécifications requises. Les résultats obtenus montrent que les caractéristiques mécaniques sont tout à fait adaptées pour une utilisation en tant que liner de réservoir de stockage d’oxygène liquide. / In the field of transport, the development of lighter, cheaper and more efficient structures is a recurrent challenge. Polymer materials are good candidates for these applications due to their characteristics quite suitable for requirements. This Phd work aims at developing a thermoplastic material which will be used as an internal liner of a liquid oxygen (LOX) storage tank. The objective is to demonstrate a 20 % to 30 % weight saving, compared to metallic structures. To be used in this kind of application, the thermoplastic material must be LOX compatible, processable by rotational moulding and display a low gas permeability as well as good mechanical properties at low temperatures. In a first part, LOX compatibility of polymers was studied. Taking into account theories proposed in the literature, polyamide 6 (PA6) nanocomposites based on LCP, fluoride and graphite fillers were processed and characterized in order to reach desired properties. The influence of several parameters having an impact on LOX behaviour of polymers was then investigated. The nanocomposites show overall good compatibility with liquid oxygen. This study also demonstrates that LOX sensitivity largely depends on the preparation of samples. The processability of nanocomposites by rotational moulding has then been investigated. Rheological properties and thermal stability have especially been studied. Some rotational moulding trials were carried out on the most relevant systems and demonstrate promising results. Finally, the gas transport properties of PA6 nanocomposites were studied. Measured gas permeability was discussed as a function of the morphology of blends. In particular, this study shows that PA6 nanocomposites filled with lamellar graphite present convenient performances which are due to the tortuosity effect induced by the filler. Mechanical properties of filled systems were finally determined and compared with set requirements. The results show that mechanical characteristics are quite relevant for use as internal liner of LOX storage tank.

Depuis quelques années on s'intéresse aux actionneurs base polymères, souvent appelés polymères électroactifs électroniques (EAPS) pour intégrer dans des microsystèmes électromécaniques (MEMS). Trois mécanismes sont à l'origine du couplage électromécanique : (i) la piézoélectricité qui apparait dans certaines phases cristallines, (ii) la force "de Maxwell" lorsqu'un champ électrique aux bornes du condensateur constitué d'un polymère souples placé entre deux électrodes, et (iii) l'électrostriction, phénomène intrinsèque aux matériaux polaires, mal connu. Les deux derniers se traduisent par une dépendance quadratique de la déformation macroscopique avec le champ électrique appliqué. Parmi les EAPs électrostrictifs, on cite souvent certains polyuréthanes (PU) qui a conduit à ce choix pour ce travail de thèse. Une première partie a consisté à analyser en détail l'électrostriction de 3 PUs, copolymères à blocs de deux types d'unités de répétition, les unes conduisant à des segments rigides très polaires, les autres à des segments souples peu polaires. La séparation de phase qui apparait lors de la mise en œuvre de ces PUs (contenant des fractions différentes de segments souples et rigides) semble propice à l'apparition de leur électrostriction. C'est ce qu'indique une modélisation récemment proposée qui prédit un facteur de près de 1000 entre forces de Maxwell (ici négligeables) et électrostriction. Le comportement des matériaux résultent clairement de la compétition entre contraintes d'origine électrostatique (dipôles des phases polaires dans un gradient de champ électrique) et contraintes mécaniques liées à la rigidité des phases. L’influence systématique de l'épaisseur des films sur leur activité électromagnétique a été rendue compte: les films minces présentent une plus faible déformation à champ électrique donné que les films plus épais. Les films obtenus par évaporation du solvant utilisé pour dissoudre les PU présentent probablement un gradient de microstructure : en surface, l'évaporation rapide limite la séparation de phase, alors qu'elle est plus avancée à cœur. C’est cohérent avec la modélisation reposant sur la présence de gradient de constante diélectrique au sein des films. Dans une dernière partie, on a cherché à augmenter encore l'électrostriction de ces matériaux en dispersant des particules conductrices à conduction électronique, de taille nanométrique (noir de carbone et nanotubes de carbone). On observe trois effets, l'un correspondant à l'augmentation de la constante diélectrique apparente (celle diverge au seuil de percolation), et un deuxième effet à une augmentation des forces d'attraction locales. En revanche, le troisième effet qui contrecarre les forces d'origine électrostatique puisqu'il résulte de l'augmentation de la rigidité dû à la présence des particules rigides. Là encore, la compétition entre contraintes électrostatique et mécanique conduit à un optimum en termes de fraction volumique de particules renforçantes. / Piezoelectric ceramics are commonly used for actuation applications. However, they suffer from several drawbacks particularly such low electric field-induced strains and difficult implementation inside microelectromechanical systems (MEMS). Recently, electroactive polymers (EAPs) have attracted considerable interest, especially following the publication of elevated electric field-induced strain values. The results have rendered EAPs very attractive for replacing the lead-based ceramics. Three mechanisms are responsible for the electromechanical coupling in electronic EAPs: (i) The piezoelectricity that appears in some crystalline phases, (ii) The “Maxwell” forces when applying an electric field through a capacitor which consists of a flexible polymer film placed between two electrodes, and (iii) The electrostriction, an intrinsic phenomenon related to polar materials, which is still poorly understood. The last two mechanisms result in a quadratic dependence of the deformation with the applied electric field. Among the electrostrictive EAPs, some polyurethanes (PU) have been often cited, and have therefore guided the choice of the materials for this work. The first part was to analyze the electrostrictive behavior of three PUs, made of two partially miscible types of repeating units: the high polar hard segments and the low polar soft segments. The phase separation occurred during the elaboration process of these PU films seems favorable to the emergence of electrostrictive behavior. A model predicted recently an almost 1000 factor between the electrostriction and the Maxwell stress (here negligible). This is clearly related to the competition between the electrostatic strains (polar phases dipoles in a field gradient) and the mechanical stresses. The thickness of films was found to have a strong influence on electromechanical activity: thin films present a lower strain for a given electric field compared to thick films. Depending on the solvent evaporation during the film elaboration, the films exhibit a thickness gradient in the microstructure: Fast evaporation on the surface inhibits the phase separation, whereas it is more favored in the core. This is consistent with the modeling based on the gradient of dielectric constant in PU. In the last part, we aimed to further increase the electrostriction of PU by filling with nanoscale conductive particles (carbon black or carbon nanotubes). This normally results three effects, one corresponding to the increase of the dielectric constant in the vicinity of the percolation threshold, a second effect relates to an increase in local attractive forces which behave as internal constraints. In contrast, the third effect counteracts the electrostatic forces since it results from the increased stiffness due to the hard particles. Again, the competition between electrostatic and mechanical stress leads to an optimum induced-deformation associated to a fraction of reinforcing particles.

Ce travail est généralement destiné à synthétiser BCPs à base d'POSS par polymérisation RAFT, à étudier leurs comportements d'auto-assemblage, à la recherche sur l'effet de POSS auto-assemblage structure sur les propriétés en vrac et à préparer nanostructuré époxy hybride par auto-assemblage de la copolymère base d’POSS. Dans le Chapitre1, Nous avons étudié la polymérisation RAFT de macromères POSS et capables de synthétiser bien définis BCPs à base d'POSS avec la fraction POSS élevé et une topologie différente tels que AB, BAB et (BA)3. Le groupe de vertex et l'effet sur la morphologie propriétés thermo-mécaniques de BCPs à base d'POSS et la relation structure-propriété ont été investigated Polymérisation RAFT dispersion dans solvant apolaire a été appliquée pour obtenir divers agrégats ayant une morphologie différente dans Chapitre2. Refroidissement de transition induite morphologie réversible a été trouvé et la sélection dans la formation des vésicules voie a été étudiée. Nano-construction de matériaux O/I époxy hybrides à base de copolymères à base d'POSS a été étudiée dans Chapitre 4. L'effet de la teneur en groupe fonctionnel sur la miscibilité de copolymère statistique base d’POSS et de l'époxy a été étudiée. Une nouvelle méthode à la technologie hybride époxy nanostructure impliquant l'auto-assemblage de BCPs à base d'POSS en résine époxy a été présenté. Homogénéité élevée et bien la taille/morphologie de contrôle de coeur-corona structure contenant coeur POSS rigide et soluble dans les réseaux corona PMMA ont été obtenus. / This work is generally aimed to synthesize POSS based BCPs via RAFT polymerization, to study their self-assembly behaviors, to research on the effect of POSS self-assembly structure on the bulk properties and to prepare nanostructured hybrid epoxy via self-assembly of POSS based copolymer. In Chapter1, We studied the RAFT polymerization of POSS macromers and capable to synthesize well defined POSS based BCPs with high POSS fraction and different topology such as AB，BAB and (BA)3. The vertex group and the morphology effect on thermo-mechanical properties of POSS based BCPs as well as the structure-property relationship was investigated. Dispersion RAFT polymerization in apolar solvent was applied and various aggregates with different morphology in Chapter2. Cooling induced reversible micelle formation and transition was found and the pathway selection in vesicle formation was investigated. Nano-construction of O/I hybrid epoxy materials based on POSS based copolymers was investigated in Chapter4. The effect of functional group content on miscibility of POSS based statistic copolymer and epoxy was investigated. A novel method to nanostructure epoxy hybrid involving self-assembly of POSS based BCPs in epoxy was presented. High homogeneity and well size/morphology control of core-corona structure containing rigid POSS core and soluble PMMA corona in networks were obtained.

A l’heure actuelle, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) les plus avancées, qu’elles soient disponibles commercialement ou intégrées dans des démonstrateurs, sont réalisées avec des électrolytes polymères perfluorosulfonés de types Nafion®. En effet, ce type de polymère est celui qui présente à la fois les meilleures performances et la plus grande durée de vie sans pour autant qu’elles soient suffisantes, et ce, quelles que soient les applications (portable, stationnaire, transport). En effet ce polymère présente toutefois trois inconvénients majeurs : son prix, sa perméation au méthanol et sa perte de performance (et surtout de conductivité) dès 80-85 °C. Selon les projections avec les technologies actuelles (source DOE), le prix de vente du Nafion® serait de 80 $/m2 pour une production de 1 Mm2. Il existe un réel besoin de développer de nouveaux matériaux pour membranes échangeuses de protons présentant d’excellentes performances (propriétés mécaniques, imperméabilité maximale au méthanol et H2, conduction protonique..) sur une large gamme de températures, typiquement entre 25 et 150°C (selon l’application visée), mais présentant également un coût de fabrication réduit. Or aujourd’hui, ces différentes fonctions sont assurées par un seul polymère perfluorosulfoné ce qui est le problème principal. Ainsi, l’intérêt du projet est de combiner les avantages d’un matériau hybride obtenu par génération in situ de la phase inorganique (Sol-Gel) nanométrique avec l’utilisation d’un procédé en continu de mise en œuvre par extrusion (voie fondu), exempt de tout solvant et facilement transférable industriellement. La conduction protonique sera assurée par des fonctions sulfoniques générées grâce à l'oxydation des sites fonctionnels apportés par le précurseur fonctionnel. / Fuel cells technologies are electrochemical energy conversion devices and have a real potential to revolutionize the way to produce energy, offering cleaner, more-efficient alternatives to combustion of gasoline and other fossil fuels. In that way, the Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are probably the most studied. Those fuel cells are mainly based on perfluorosulfonic acid membranes, such as Nafion®. However, Nafion® membranes, present some limitations such as dehydration at high temperatures or at low relative humidity rate leading to a decrease of proton conductivity and thus poor PEMFC performance. Consequently, PEMFC require significant improvements prior to be largely used in the automobile field. Research efforts have been oriented on the development of new materials for the PEMFC membrane as it is the main limitative component for high temperature fuel cell. In the present contribution, we wish to report the validation of a new concept of hybrid materials for the realization of proton exchange membranes. The originality of this hybrid concept is based on the contribution of both phases’ specific properties. We investigated the preparation of hybrid materials based on an inert polymer matrix (low cost) providing the mechanical stability embedding inorganic phase providing the necessary properties of proton-conduction and water retention. Hybrid nanocomposite membranes were synthesized using evaporation and recasting technique from solution containing dispersion of inorganic particles in the adequate polymer. Scanning electron microscopy (SEM) images for membrane morphology and proton conductivity results using impedance measurements from hybrid membranes will be presented. The performance of the membrane-electrode assembly (MEA) using the hybrid membrane was also evaluated by a fuel cell test. Finally, we wish to present a promising way of research based on Sol-Gel approach to generate a proton-conducting inorganic phase into the polymer matrix.

Cette thèse porte sur le rotomoulage réactif de polyamide 6. Ce procédé a la particularité de présenter des cycles thermiques relativement réduit et de fabriquer des polymères sur mesure contrairement à son homologue conventionnelle. La voie envisagée pour la synthèse in situ de PA6 est la polymérisation anionique de l’ε-caprolactame par ouverture de cycle. Le Caprolactamate de sodium et le bromure de caprolactame-magnésium ont été utilisés comme catalyseurs, et l’hexaméthylène dicarbamoyl dicaprolactame a été employé comme activateur. L’étude rhéocinétique de deux systèmes réactifs lactames qui ont été utilisé à différentes compositions et températures a permis de déterminer une formulation appropriée aux exigences du procédé (faible viscosité initiale du système réactif, temps de polymérisation court...). La simultanéité des phénomènes de polymérisation et de cristallisation aux faibles températures à été observé à l’aide des résultats du suivi cinétique par DSC. La mise en forme par la technique de rotomoulage a été réalisée sur une installation pilote de rotomoulage associée à un système d’acquisition de température par télémesure radio. La comparaison des propriétés des articles en PA 6 obtenus par voie réactive par rapport a ceux obtenus par voie fondue, a montré un gain au niveau du temps de cycle et une amélioration des propriétés mécaniques du matériau notamment dans le domaine des faibles déformations. Le rotomoulage de la bicouche PA6/PE-GMA a été ainsi étudié, le contrôle des mécanismes réactionnels mis en jeu à l’interface par rhéologie, durant la formation de la couche de polymère PA6 par voie anionique sur une couche de PE-GMA a été effectué dans un rhéomètre, une bonne adhésion à l’interface a été observé. La faisabilité d’élaboration de nanocomposite PA 6/argile par le procède de rotomoulage réactif a été testé, les caractérisations physico-chimiques et les observations morphologiques ont été étudiés afin d’évaluer l’état de dispersion et la nature des interactions. Durant cette étude, nous avons mesurés la faisabilité de l’intercalation et le gonflement de l’argile dans le monomère ε- caprolactame et estimer la possibilité d’avoir une morphologie exfolié des nanocomposites élaborés par le procédé de rotomoulage réactif. / A reactive rotational molding (RRM) process was developed to obtain a PA6 by activated anionic ring-opening polymerization of epsilon-caprolactam (APA6). Sodium caprolactamate (C10) and caprolactam magnesium bromide (C1) were employed as catalysts, and difunctional hexamethylene-1,6-dicarbamoylcaprolactam (C20) was used as an activator. The kinetics of the anionic polymerization of ε-caprolactam into polyamide 6 was monitored through dynamic rheology and differential scanning calorimetry measurements. The effect of the processing parameters, such as the polymerization temperature, different catalyst/activator combinations and concentrations, on the kinetics of polymerization is discussed. A temperature of 150°C was demonstrated to be the most appropriate. It was also found that crystallization may occur during PA6 polymerization and that the combination C1/C20 was well suited as it permitted a suitable induction time. Isoviscosity curves were drawn in order to determine the available processing window for RRM. The properties of the obtained APA6 were compared with those of a conventionally rotomolded PA6. Results pointed at lower cycle times and increased tensile properties at weak deformation. Additionally, rotational molding of the bilayer PA6/PE-GMA has been studied, the control of the reactions mechanisms involved in the interface by rheology , during formation of the anionically PA6 polymer layer on a PE- GMA layer was carried out in a rheometer , a good adhesion at the interface was observed. The feasibility of developing nanocomposite PA 6/clay by reactive rotational molding process has been tested; the physico-chemical characterization and morphological observations were studied to assess the state of dispersion and the nature of interactions. During this study, we measured the feasibility of intercalation and swelling the clay in the ε-caprolactam monomer and estimate the possibility of having morphology of exfoliated nanocomposites prepared by reactive rotational molding process.

Ce travail a porté sur la caractérisation et la quantification en 3D de la répartition de charges de différents types (nanoparticules, nanotubes, etc.) dans des matrices polymères. Nous nous focalisons sur les techniques de tomographie en microscopie électronique. Une approche multiple en tomographie électronique a été réalisée : la tomographie en FIB/MEB (faisceau d’ions focalisé/microscope électronique à balayage), la tomographie en MEB et la tomographie en MET (microscope électronique en transmission). Les nanocomposites polymère sont généralement élaborés aux fins d’améliorer les propriétés physiques (mécanique, électrique, etc.) du matériau polymère constituant la matrice, grâce à une addition contrôlée de charges nanométriques. La caractérisation de tels matériaux, et l’établissement de corrélations précises entre la microstructure et les propriétés d’usage, requièrent une approche tri-dimensionnelle. En raison de la taille nanométrique des charges, la microscopie électronique est incontournable. Deux systèmes de nanocomposite polymère ont été étudiés par une approche multiple de tomographie électronique : P(BuA-stat-S)/MWNTs (copolymère statistique poly (styrène-co-acrylate de butyl) renforcé par des nanotubes de carbone multi-parois), et P(BuA-stat-MMA)/SiO2 (copolymère statistique poly(butyl acrylate-co-methyl methacrylate) renforcé par des nanoparticules de silice). Par combinaison de divers techniques, la caractérisation et la quantification des nanocharges ont été possibles. En particulier, la taille, la fraction volumique et la distribution des charges ont été mesurées. Cette étude a ainsi fourni des informations en 3D qui contribuent à mieux comprendre les propriétés des nanocomposites. Une attention particulière a été portée aux artefacts et causes d’erreur possibles durant l’étape de traitement 3D. Nous avons également essayé de comparer les différentes techniques utilisées du point de vue de leurs avantages et inconvénients respectifs, en dégageant des possibilités d’amélioration future. / This work is focused on the characterization and quantification of the 3D distribution of different types of fillers (nanoparticles, nanotubes, etc.) in polymer matrices. We have essentially used tomography techniques in electron microscopy. Multiple approaches to electron tomography were performed: FIB-SEM (focused ion beam/scanning electron microscope) tomography, SEM tomography and TEM (transmission electron microscope) tomography. Polymer nanocomposites are basically synthesized in order to improve the physical properties (mechanical, electric, etc.) of the pure polymer constituting the matrix, by a controlled addition of fillers at the nanoscale. The characterization of such materials and the establishment of accurate correlations between the microstructure and the modified properties require a three-dimensional approach. According to the nanometric size of the fillers, electron microscopy techniques are needed. Two systems of polymer nanocomposites have been studied by multiple electron tomography approaches: P(BuA-stat-S)/MWNTs (statistical copolymer poly(styrene-co-butyl acrylate) reinforced by multi-walled carbon nanotubes) and P(BuA-stat-MMA)/SiO2 (statistical copolymer poly(butyl acrylate-co-methyl methacrylate) reinforced by silica nanoparticles). By combining various techniques, the characterization and the quantification of nanofillers were possible. In particular, statistics about size, distribution and volume fraction of the fillers were measured. This study has then provided 3D information, which contributes to a better understanding of properties of the nanocomposites. Attention has been paid to analyze carefully original data, and artifacts and causes of errors or inaccuracy were considered in the 3D treatments. We also attempted to compare benefits and drawbacks of all techniques employed in this study, and perspectives for future improvements have been proposed.