Parmi tous les plastiques, les polyuréthanes (PUs) représentent la sixième classe de polymères la plus utilisée au monde. Ils sont synthétisés industriellement par réaction entre un diol et un diisocyanate, en présence d'un catalyseur métallique et d’un solvant organique.Néanmoins, cette synthèse présente d’importants problèmes environnementaux et de santé.Afin de s’affranchir de ces composés toxiques, les progrès dans ce domaine ont conduit à un certain nombre de procédés sans isocyanates. Néanmoins, ces procédés doivent faire face à de nombreux défis (propriétés physiques, masses molaires, réactions secondaires, etc.), afin de concurrencer les polyuréthanes classiques. Par conséquent, une partie de ce manuscrit est dédiée à une étude rationnelle de l'influence de catalyseurs organiques, tels que le TBDou P4, non seulement sur la cinétique de polymérisation de l’aminolyse de carbonates biscycliques,mais aussi sur la structure et les propriétés des PUs résultants. Par la suite, et afin de limiter l’utilisation de composés organiques volatiles, des dispersions aqueuses de polyuréthanes sans isocyanates ont été obtenues en adaptant : 1) le procédé acétone à l’aminolysis de carbonates bis-cycliques et 2) la polymérisation interfaciale à la polycondensation de dicarbonates linéaires avec des diamines. / Among all plastic materials, polyurethanes (PUs) represent the 6th most popularly usedpolymers in the World. They are industrially synthesized by the reaction between a diol and adiisocyanate, in the presence of a metal catalyst and an organic solvent. Nevertheless, thissynthesis presents important environmental and health problems. In order to replace thesetoxic compounds, advances in this field have led to a number of isocyanate-free processes.However, these processes have to face many challenges (physical properties, molarmasses, side reactions, etc.), in order to compete with conventional polyurethanes.Therefore, part of this manuscript is dedicated to a rational study of the influence oforganocatalysts, such as TBD or P4, not only on the polymerization kinetics of the aminolysisof bis-cyclic carbonates, but also on the structure and properties of the resulting PUs.Subsequently, and in order to limit the use of volatile organic compounds, aqueousdispersions of non-isocyanate PUs were obtained by adapting: 1) the acetone process to theaminolysis of bis-cyclic carbonates and 2) the interfacial polymerization to thepolycondensation of linear dicarbonates with diamines.

Les polyHIPEs sont des matériaux cellulaires obtenus par polymérisation d’émulsions concentrées appelées HIPEs « High Internal Phase Emulsions ». La phase continue de l’émulsion contenant les monomères est le siège de la polymérisation permettant la création de la matrice solide. La phase dispersée engendre la porosité. Les matériaux polyHIPEs sont généralement synthétisés par polymérisation radicalaire. La variété des monomères utilisables est donc ainsi limitée. La majorité des polymères à haute performances étant obtenus par polycondensation, il serait d’un grand intérêt d’élargir la gamme des matériaux poreux de type polyHIPEs disponibles en utilisant cette technique. L’objectif de ce travail consiste à synthétiser des matériaux polyHIPEs obtenus par polycondensation ou polyaddition et à les caractériser. Réaliser une réaction de polymérisation par étape au sein d’une émulsion concentrée représente un vrai défi car ce type de réaction requiert généralement des conditions opératoires peu compatibles avec la stabilité des émulsions concentrées. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés à la synthèse de polyHIPEs de type polyuréthane et polyester. L’homogénéité de la morphologie de ces matériaux a été étudiée en faisant varier un certain nombre de paramètres tels que : la nature de l’émulsion (aqueuse ou non-aqueuse, stabilisée par des tensioactifs ou des particules), la nature des catalyseurs et les techniques de polymérisation. Ce travail a permis d’accéder pour la première fois à des matériaux polyHIPEs de type polyuréthane et polyester. Les résultats obtenus ouvrent la voie au développement dans ce domaine. / PolyHIPEs are cellular materials obtained by polymerization within HIPEs « High Internal Phase Emulsions ». The polymerization occurs in the continuous phase of the emulsion allowing the creation of a solid matrix. The dispersed phase induces the porosity. PolyHIPEs are generally obtained by free-radical polymerization which restricts the choice of monomers. The majority of high performance polymers are obtained by polycondensation therefore it will be a great interest to enhance the variety of polyHIPEs available by using this technique. The objective of this work consists to synthetize polyHIPEs using polycondensation or polyaddition. Performing a step-growth polymerization within emulsion is a great challenge because this kind of reaction requires conditions generally incompatible with the stability of HIPEs. In the context of this work, we focused on the synthesis of polyurethane and polyester polyHIPEs. The homogeneity of the morphology of the materials was studied by varying several parameters, such: the nature of the emulsion (aqueous or non-aqueous, stabilized by surfactants or particles), the nature of the catalysts and the polymerization techniques. This work opens the access for the first time to polyurethane and polyester polyHIPEs. The results obtained are a starting point for further development in this field.

L'état de surface est l'un des paramètres les plus importants pour déterminer la biocompatibilité d'un dispositif médical implantable, tout changement à la surface une fois en contact avec les tissus corporels peut avoir un impact sur la réponse biologique (cytotoxicité, inflammation, irritation, thrombose ... etc.). Pendant le stockage, l’exsudation des additifs peut se produire à la surface des polymères et modifier leurs propriétés. Dans cette étude, nous utilisons du polyuréthane à base de cathéter (Pellethane®), en raison de ses nombreuses applications dans le domaine des dispositifs médicaux, pour évaluer l'impact d’exsudation des additifs sur la biocompatibilité. L'impact des traitements de stérilisation et d'oxydation sur le phénomène d’exsudation a été étudié. L'étude a été réalisée sur du polyuréthane utilisé dans la fabrication de cathéters sur lesquels l’exsudation de cristaux d’additifs a déjà été observée. La stérilisation par rayonnements ionisants (bêta, gamma) a été réalisée sur ce matériau et les échantillons ont été soumis à différents types de processus d'oxydation (UV, H2O2 et action des macrophages). La viabilité des cellules endothéliales a été étudiée. Une évaluation préliminaire de l'hémocompatibilité a été réalisée par la mesure de l'hémolyse du sang total, ainsi que par l'adhésion des plaquettes en contact avec les différents échantillons de PU. L'étude de la production pro-inflammatoire d'IL-alpha; et de TNF-alpha; par des macrophages en contact avec des échantillons a également été rapportée. / Surface state is one of the most important parameter determining the biocompatibility of animplantable medical device, any change on the surface once in contact with body tissues canimpact the biological response (Cytotoxicity, inflammation, irritation, thrombosis …etc). During storage, the blooming of additives may occur on the surface of polymers and modify their properties. In this study, we use (Pellethane®) catheter-based polyurethane, because of its many applications in the field of medical devices, to evaluate the impact of additives blooming on the biocompatibility. The impact of sterilizing and oxidation treatments on blooming was studied. The study was realized on polyurethane used in the fabrication of catheters on which the blooming of antioxidant crystals has been previously observed. Sterilization by ionizing radiations (beta, gamma) was performed on this material and samples were submitted to different kinds of oxidation process (UV, H2O2 and macrophages action). Endothelial cells viability was studied. A preliminary haemocompatibility evaluation was performed through the measurement of whole blood hemolysis, as well as platelet adhesion in contact with the different PU samples. The study of the pro-inflammatory IL-alpha; and TNF-alpha; production by macrophages in contact with samplesis also reported.

L’électronique embarquée, notamment les modules de puissance, permet la gestion de l’énergie électrique et donc le développement de véhicules « décarbonés ». Toutefois, en vue d’être positionnés près du moteur thermique, ces composants électroniques devront résister à des environnements très divers et parfois à de sévères contraintes (humidité, agression chimique (huiles), vibrations…). Or, les matériaux d’encapsulation qui les protègent ne sont pas, aujourd’hui, assez performants pour répondre à ces nouvelles contraintes. Ainsi, le but de ces travaux de thèse est donc de développer de nouveaux polymères d’encapsulation. Pour cela, deux types de copolymères Silicone/Polyuréthane (Si/PU) réticulés ont été synthétisés, sans solvant, et avec des temps de polymérisation courts.Une première série de matériaux Si/PU contenant entre 55 et 76%m de motif silicone, a été synthétisée par polyaddition alcool-isocyanate à partir de précurseurs silicone, synthétisés ou commerciaux, et d’un pluriisocyanate, en présence d’un catalyseur. Une seconde série de copolymères Silicone/Polyhydroxyuréthane (Si/PHU) contenant 26 et 61%m de motif silicone a été obtenue sans isocyanate et sans catalyseur, à partir de poly(diméthylsiloxane) biscyclocarbonate et d’une triamine.Les propriétés mécaniques, thermiques et le caractère hydrophobe de tous ces matériaux ont été évalués. Dans le but d’améliorer les propriétés thermiques et de diminuer le coût de la résine d’encapsulation, des charges inorganiques ont été incorporées à certains polymères Si/PU.Les matériaux les plus intéressants ont été testés comme encapsulant dans des modules de puissance et les premières mesures électriques au cours de cyclages thermiques sont très prometteuses. / Embedded electronics, particularly power modules, allows management of electric energy and therefore development of “carbon-free” vehicle. However, these electronic components, will shortly be located near heat engine automotive, and they must withstand various environments and sometimes, hard stresses (humidity, chemical aggression (oil), vibrations…). But actual encapsulation materials are not today efficient enough to match with these future imposed stresses. Thus, the aim of this work is to develop new encapsulation polymers. For this, two types of crosslinked Silicone/Polyurethane (Si/PU) copolymers were “solvent-free” synthesized and with short polymerization times.A first series of materials Si/PU containing between 55 and 76%wt silicone units were synthesized by alcool-iscyanate polyaddition from silicone precursor, synthesized or commercial, and a pluri-isocyanate, in the presence of catalyst. A second series of copolymers, Silicone/Polyhydroxyurethane (Si/PHU) containing 26 and 61%wt silicone units, was obtained without isocyanate or catalyst from poly(dimethylsiloxane) biscyclocarbonate and a triamine.Mechanical and thermal properties as well as hydrophobic character of all materials were evaluated. In order to improve thermal properties and decrease the cost of encapsulation resin, inorganic fillers were blended in some of Si/PU polymers.The most interesting materials were tested as encapsulant in power modules, and the first electrical measurements during thermal cyclings were very promising

La poudre de polyuréthane à base de déchets de mousse de polyuréthane a des capacités de liant classique sous certaines conditions. Ceci est très intéressant du point de vue écologique car cela permet de rallonger le cycle de vie du polyuréthane et d’économiser le premier substituant de la colle classique qui est produit à partir de 100% de matière première. Le but de cette étude était d’améliorer l’application de la poudre de polyuréthane, comme substituant de la colle pMDI, dans la production des panneaux OSB. Une importante partie de ce travail était de mieux comprendre la réactivation de la poudre de polyuréthane et les conditions nécessaires pour que la poudre puisse fonctionner de façon optimale. Des résultats de recherche ont montré que l’uréthane est dégradé à une température de 165°C en groupements d’isocyanate et de polyols. La formation d’isocyanate à pu être démontrée par plusieurs méthodes. Le savoir a été généré dans des laboratoires et confirmé avec des essais pratiques sur des lignes industrielles. Un des objectifs principaux de ce travail était de baisser la température de décomposition de la poudre de polyuréthane à un niveau suffisamment bas pour que la poudre puisse être utilisée non seulement dans les couches externes mais aussi dans la couche médiane du panneau. Dans la première phase de ce travail la poudre de polyuréthane sans additifs a été analysée. Ensuite une sélection entre différents catalyseurs utilisés dans la production de mousse de polyuréthane a été effectuée. Pour pouvoir quantifier la capacité du catalyseur une machine permettant de produire des disques à base de polyuréthane pur a été développée. Cette machine a fourni la base pour pouvoir sélectionner le catalyseur le plus performant. Ainsi cette machine donne à l’entreprise Mobius Technologies une très bonne et simple solution pour déterminer les propriétés de la poudre de polyuréthane traitée ou non traitée et pour en déterminer la qualité. Enfin, les résultats de la recherche ont pu être mis en application à l’échelle industrielle sur des lignes industrielles d’OSB chez les entreprises Kronoply, Kronofrance et chez un producteur d’outre-mer qui reste anonyme dans ce document pour des raisons de discrétion liée à l’entreprise Mobius Technologies. Il a été possible de baisser la température de décomposition de la poudre jusqu’à 147°C, grâce au catalyseur employé. L’objectif de 120°C comme température de décomposition n’a donc pas été atteint / The polyurethane powder based on recycled material or polyurethane slab stocks shows bonding properties under certain circumstances. This is interesting from the ecological point of view, because the product life cycle of the polyurethane is prolonged. In addition to that the powder can be used as substitute for standard adhesives which are produced on 100% non renewable recourses. The goal of this project was the improvement of the application of polyurethane powder, as substitute of pMDI-adhesives, which are used in the production of OSB boards. One mayor aspect of the study was the understanding of the reactivation of the polyurethane powder and to find out the conditions for an optimized use of the powder. The results of the research demonstrated that at the degradation temperature of about 165°C the urethane bond is decomposed in to isocyanates and polyols, which is already well known in polyurethane chemistry. The reverse reaction to polyurethanes could be proved by several methods. This was than in lab scale and also under industrial conditions. The main objective of the present study was to lower the activation temperature of the polyurethane powder as pMDI adhesive substitute in the core and the surface layer of wood based panels. In the start-up phase the polyurethane powder was used an analysed without any additives. Later on a selection of different typical polyurethane catalysts were used. To quantify the efficiency of different catalysts a special machine was constructed. This new developed machine provided us with the results to select the most performing catalyst. In addition this machine was used as an easy and efficient quality control tool of Mobius Technologies. The results were used to apply the polyurethane powder on industrial production units of Kronoply (Germany), Kronofrance (France) and unstated OSB-producer in overseas. It was possible to lower the activation temperature by the use of a catalyst to about 147°C. The ambitious intent to reach a temperature of 120°C was not achieved

Cette thèse intègre la conception d'un matelas passif sur mesure permettant de limiter la formation des escarres de décubitus et se divise en deux phases. La première propose un nouvel outil de caractérisation de matelas passifs fournissant des informations sur la pression au contact et sur les propriétés mécaniques (support, viscoélasticité). Cet outil permet d'effectuer des comparaisons objectives par l'utilisation d'un protocole de mesure standard. La seconde phase correspond à la conception d'un matelas passif sur mesure. Une technologie originale à base de mousse de polyuréthane est utilisée pour la confection de la couche de support. Elle est dimensionnée à partir d'un algorithme, dénommé système expert. Ce dernier utilise comme données d'entrées l'interaction entre la couche de support et des corps rigides, qui est modélisée par la méthode des éléments finis, et la morphologie d'un être humain, qui est approximée par une nouvelle méthode faisant appel à un simple appareil photographique. Le système expert est validé expérimentalement et des tests cliniques démontrent le caractère préventif du matelas proposé.

L'objectif principal de cette thèse a été de déterminer le rôle joué par l'architecture macromoléculaire du réseau sur les propriétés élastiques non linéaires, la résistance à la rupture et la résistance à la cavitation sous chargement hydrostatique. Nous avons synthétisé, dans des conditions contrôlées, trois réseaux élastomères dits « modèles » de Polyuréthanne (PU), à partir d'un triisocyanate et de polyether diols isomoléculaires (PPG). Une caractérisation physico-chimique fine des réactifs et des réseaux a été réalisée en utilisant des techniques telles que : RMN, FTIR et fractions solubles. Les propriétés élastiques non linéaires, viscoélastiques linéaires et la résistance à la rupture en mode I des trois réseaux modèles ont été caractérisées. Les essais de cavitation ont été effectués sur un dispositif expérimental développé pour cette étude, permettant de suivre les mécanismes de formation de cavités, à la résolution optique près, en temps réel. En menant une analyse systématique des conditions de cavitation, en fonction de la vitesse de déformation et de la température, il est apparu que, contrairement au modèle d'instabilité élastique communément utilisé, l'expansion critique de la cavité n'est pas uniquement pilotée par le module élastique; mais dépend fortement de l'énergie de rupture, GC et de l'extensibilité limite du réseau. Par ailleurs, nous avons observé l'apparition de cavités pré-critiques avant la fracture catastrophique ; ce qui met en évidence l'existence de deux critères : l'un, propre au processus de nucléation, principalement piloté par des mécanismes statistiques et activés thermiquement (distribution de défauts, temps, température, etc.) ; et l'autre, lié à la croissance de la cavité en milieu confiné contrôlé par GIC, et par le comportement aux grandes déformations. Enfin, la présence d'enchevêtrements dans l'architecture du réseau macromoléculaire s'est avérée clairement bénéfique pour stabiliser la croissance de cavités et donc pour renforcer la résistance à la cavitation.

De nos jours, des fibres et films photochromiques sont tournés vers le développement des matériaux intelligent qui sont appliqués pour évaluer, signaliser et réagir à un changement de couleur et de spectre d’absorbance. Dans ce travail, l’activité photochromique de six différents types commerciaux de polyuréthane contenant de petites quantités de spiropyrane [1-hexyle-3,3-diméthyle-6'-nitrospiro (indoline-2',2'-benzopyrane)] a été étudiée. Les effets d'épaisseur du film, du temps d'irradiation, et de la concentration en SP sur la réponse photochromique des films de PU/SP ont été étudiés et également leurs interactions. En outre, le comportement photochromique de ces films sous étirement et leurs cinétiques de décoloration ont été abordés. La cinétique et la caractérisation des systèmes photochromiques de spiropyrane incorporé dans le polyuréthane et irradié avec la lumière monochromatique ont été modélisées. Les modèles obtenus peuvent être correctement appliqués dans tous les cas (avec et sans irradiation, avec et sans étirement), en particulier pour tous les rapports massique de SP et pour toute l’épaisseur de film. Le comportement mécanique des polyuréthanes et sa relation avec leurs propriétés photochromiques ont été étudiés et modélisées. Ce modèle est capable de déterminer le taux d’étirement qui peut être traduit en compression locale à partir de quatre mesures photochromiques, et ceci ouvre la porte à des applications potentielles. Un intérêt particulier dans ce contexte, peut être porté aux textiles utilisés pour des applications biomédicales, y compris les bas de contention destinés à empêcher ou traiter la thrombose profonde des veines. Une autre application possible est le développement récent de l'habillement sportif pour améliorer la récupération après des efforts violents / Nowadays, photochromic fibers and films are turned towards the development of intelligent “smart” materials which are applied to evaluate, signalize and react to a change in color and absorbance spectra. In this work, the photochromic activity of six commercial grades of polyurethane that contains small quantities of spiropyran [1-hexyle-3,3-diméthyle-6'-nitrospiro (indoline-2',2'-benzopyran)] has been studied. The effects of film thickness, irradiation time, and SP concentration on the photochromic response of PU/SP films have been studied and also their couplings. Furthermore, the photochromic behaviors of these films under stretching and their decoloration kinetics have been investigated. The kinetics and characterization of the photochromic system of spiropyran incorporated into polyurethane and irradiated with monochromatic light was modeled. The obtained models can be correctly applied in all cases (with and without irradiation, with and without stretching), in particular for all SP mass ratios and for all film thickness. The mechanical behavior of polyurethanes and its relation with the photochromic properties is studied and modeled. This model has the capability to determine the stretching ratio which can be translate to the local compression by employing only four photochromic measurements and this open the way for a wide range of potential applications. Of particular interest in this context are the textiles used for biomedical applications, including graduated compression stockings for preventing or treating deep vein thrombosis. Another related application is the recent development of special sport clothing for improving recovery after strong efforts

Ce travail de thèse a porté sur la synthèse et la caractérisation de dispersions aqueuses de polyuréthane. Les matières premières envisagées pour la synthèse ont tout d'abord été caractérisées et un procédé de fabrication adapté a été mis en place. Des dispersions de polyuréthane commerciales et leurs polymères ont aussi été caractérisés, afin d'établir une référence en terme de propriétés physico-chimiques (taille de particules, viscosité, température de transition vitreuse, énergie de surface). Les dispersions aqueuses de polyuréthane ont ensuite été synthétisées. Différents paramètres ont été analysés, tels que la nature du diisocyanate, le rapport NCO/OH, la nature du (ou des) diol(s) et leurs poids moléculaire, la proportion d'agent émulsifiant et son degré de neutralisation. Toutes ces dispersions ainsi que leurs polymères ont enfin été caractérisés afin de mettre en évidence des relations structures-propriétés.

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.