Le domaine de recherche concerne l’endommagement par cavitation des élastomères exposés à de fortes pressions de gaz diffusant. Ce phénomène résulte de l’expansion locale du gaz préalablement absorbé, lorsque la désorption hors du polymère est trop lente par rapport au chargement imposé. Dans le cas de l’hydrogène qui nous intéresse ici, l’enjeu est le développement de matériaux polymères performants pour les structures de stockage et de distribution d’hydrogène gazeux hyperbare. En conditions d’usage, ces matériaux sont exposés à de fortes pressions d’hydrogène qui diffuse en leur sein et génèrent ensuite de forts endommagements lorsque la pression hydrostatique est relâchée. Les études de laboratoire sur ce sujet restent peu nombreuses, a fortiori sous environnement hydrogène. Sur le plan expérimental, ceci s’explique par la délicate manipulation de l’hydrogène et par le contexte des fortes pressions. Sur le plan de la simulation numérique, un verrou important est lié aux couplages forts entre diffusion et mécanique dans la résolution de l’équilibre de la cavité à chaque instant de son évolution. Cette thèse vise à mieux comprendre le mécanisme élémentaire de formation, puis de croissance et de coalescence des cavités, isolées ou en proche voisinage. Dans ce dernier cas, une éventuelle interaction doit effectivement être caractérisée pour éclairer la coalescence et la transition vers des fissures macroscopiques. Le travail a été mené sur série d’Ethylène Propylène Diène Monomer (EPDM) non-renforcés, avec une densité de points de réticulation variable, exposés à des pressions allant jusqu’à 30 MPa. Le volet expérimental s'appuie sur deux des techniques expérimentales in situ les plus récentes. La diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) vise à caractériser les hétérogénéités du système réseau élastomère – hydrogène à l'échelle submicronique, et éventuellement à détecter les premiers stades de cavitation. Dans la gamme des faibles pressions accessible sous environnement hydrogène, les hétérogénéités ne sont pas assez marquées pour définir plus qu'une distance de corrélation, qui varie très peu comparativement au matériau non exposé. Après exposition à une pression plus élevée (30 MPa), une augmentation de la distance de corrélation est observée, révélant une modification de l'hétérogénéité de la matrice, irréversible même après désorption complète de l'échantillon. À l’échelle micronique, des expériences de tomographie X in-situ (sous des pressions allant jusqu’à 12 MPa) fournissent des vues 3D résolues en temps des cavités, pendant et après décompression. Ces expériences ont permis de mieux comprendre la cinétique de croissance des cavités dans différentes conditions aux limites locales (dans le volume de l’échantillon, à proximité d'autres cavités, près d'une surface libre) et de les interpréter en regard des propriétés de diffusion de l'échantillon lui-même. Plusieurs populations de cavités, présentant des comportements différents, ont ainsi pu être distinguées en fonction de leur distance à la surface libre de l'échantillon, en lien avec la désorption globale de l’échantillon. Comparativement à cet effet de bord libre, la présence d’une autre cavité en proche voisinage (i.e. à une distance bord à bord supérieure ou égale à 30μm) n’a qu’une influence minime. Les résultats suggèrent que la croissance de la cavité est un processus très local. Dans un contexte diffuso-mécanique fortement couplé, l’interprétation des mécanismes se heurte à l’impossibilité d’accéder expérimentalement aux champs mécaniques et de concentration de gaz. Les codes éléments finis existants rencontrent des problèmes de convergence que le code interne Foxtrot développé à l’Institut Pprime tente de surmonter. Dans une dernière partie exploratoire de la thèse, il a été mis à profit pour comparer les gradients générés par une paire de cavités comparativement à une cavité isolée. / The optimum design and formulation of seals used in hydrogen transport system is crucial for the purposes of safety of operation and well as economic sustainability of hydrogen as energy carrier. The exposure of the sealing materials to hydrogen and subsequent decompression causes cavitation damage. The studies so far on this subject have been few due to the strong limitations arising from the safety issues related to hydrogen testing in laboratory conditions. This study addresses the cavitation in Ethylene Propylene Diene Rubber (EPDM) due to pressure release after exposure to high-pressure hydrogen up to 30 MPa. Three different unfilled EPDM with variable cross-link density were investigated. The study was based on some of the newest in-situ experimental techniques which allow a time-resolved tracking of the evolution of damage. On one side, in-situ SAXS (Small Angle X-ray Scattering) tests of hydrogen-exposed EPDM were aimed at the characterisation of EPDM at submicron scale as a function of network heterogeneity and for tracking the possible onset of distinguishable cavities. At the low pressure range accessible with the device, heterogeneities were not marked enough to define more than a correlation length that was significantly changed compared the unexposed material, whatever the cross-link density. After the exposure at higher pressure (30 MPa) a change in correlation length was observed corresponding to the change in heterogeneity of the matrix which was found to be non-reversible even after full desorption of the sample. At a higher scale, in-situ X-ray tomography was used to provide time-resolved 3D views of damage during and after hydrogen pressure release. These experiments provided insight into the growth kinetics of cavities in different local boundary conditions (within the bulk, close to other cavities, close to a free surface) correlated with the diffusion characteristics of the sample itself. Classification of cavities as bulk and edges cavities was possible with respect with different kinetics depending on their proximity to the free surface of the sample. This could be correlated with the diffusion characteristics of the material. The dependence of kinetics of cavities on the proximity of another cavity was found to be trivial at the scale investigated (above 30 μm between cavity borders) suggesting that growth is a very local process. The previous studies have clarified that the cavitation in rubber is a coupled diffuso-mechanical phenomenon and so far, the numerical tools available have not addressed the problem as such. Therefore, the development of a numerical tool aimed at solving such coupled problems has also been addressed in the present work. This numerical tool called Foxtrot, developed at Institut PPRIME, is in the early stages of development but is a crucial step towards the more realistic simulation of this phenomenon of cavitation. In this fully coupled diffuso-mechanical context, the interpretation of mechanisms is highly limited by the lack of experimental access to the mechanical and gas content fields. Commercial Finite Element codes face convergence problems that the internal code developed at the Pprime Institute (Foxtrot) is trying to overcome. In the last exploratory part of the thesis, the code was used to as a step towards a more realistic simulation of the phenomenon. In particular, gradients around a pair of cavities were compared to those obtained around an isolated cavity.

La cellulose, bio-polymère composé d’unités glucose, est un composé largement disponible au sein de la biomasse lignocellulosique. Sa dépolymérisation sélective en synthons se heurte cependant à sa forte résistance aux transformations chimiques du fait de sa structure semi-cristalline. L’objectif de la thèse est d’étudier la transformation de la cellulose par catalyse hétérogène. Il a été montré qu’une dépolymérisation partielle de la cellulose en milieu aqueux était promue par les protons issus de l’autoprotolyse de l’eau à 190°C. L’ajout d’un catalyseur solide ayant une acidité de BrØnsted forte dans le milieu réactionnel s’est révélé peu influent sur la conversion de la cellulose. En revanche, la présence de catalyseurs solides possédant une acidité de Lewis forte augmente significativement la conversion de la cellulose en formant sélectivement de l’acide lactique. Cette orientation sélective de la réaction est attribuée à l’aptitude des sites acides de Lewis à coordiner les oligosaccharides solubilisés. L’ajout d’une fonction métallique (Pt) sur un acide de Lewis solide augmente aussi significativement la conversion de la cellulose, en produisant sélectivement de l’acétol et du propylène glycol. La fonction métallique, sous atmosphère d’hydrogène, ne se limite pas à l’hydrogénation des produits finaux mais pourrait aussi intervenir dans des étapes de transfert d’hydrures et de génération de protons. Une conversion efficace de la cellulose résulte ainsi d’une action combinée des protons issus du milieu aqueux générant des oligosaccharides et des sites actifs des catalyseurs hétérogènes bifonctionnels métal-acide. / Cellulose, a biopolymer composed of glucose units, is an abundant and renewable resource. Its selective depolymerisation into building blocks is difficult due to its strong resistance to chemical reactions ascribed to its semi-crystalline structure. The aim of the thesis is to study the transformation of cellulose by heterogeneous catalysis. It has been shown that a partial cellulose depolymerisation in aqueous media was promoted by the hydroxonium ions generated in situ by water autoprotolysis at 190°C. The presence of a solid BrØnsted acid in the reaction media neither improved the cellulose conversion nor led to a particular selectivity into a valuable product. By contrast, solid Lewis acids were capable of significantly improving the cellulose conversion but also of favoring the formation of lactic acid in high yield. It is proposed that the solid Lewis sites intervene via coordination of oligosaccharides, issued from cellulose depolymerisation initiated by hydroxonium ions from water. The addition of a metallic phase such as Pt° on a solid Lewis acid support has also led to remarkable performances in term of extent of cellulose conversion and selectivity towards acetol and propylene glycol. The metallic bi-functionnal catalyst, under hydrogen atmosphere, not only leads to hydrogenated products but could also intervene into hydrides transfer elementary steps. An efficient cellulose conversion is the result of a combined action of hydroxonium ions provided by the hot water media with active sites of the bifunctionnal heterogeneous catalysts.

L’objectif de ce travail est d'envisager les modifications de formulation ou de procédé dans la technologie de geltrusion développée par Batscap pour augmenter la fiabilité des supercondensateurs en limitant l'autodécharge. La technologie repose sur l’extrusion simultanée de polymères (PVDF, PVDF-HFP), d’un solvant (PC) et de charges (CA, NC). Le mélange réalisé en extrusion bivis est ensuite filmé et laminé sur le collecteur en aluminium. Dès lors, il a été fondamental de chercher à comprendre les interactions entre les différents composants de l’électrode, avec l’étude de la miscibilité du système ternaire polymère/polymère/solvant puis l’étude de l’adsorption du solvant sur les charges. Cette démarche a permis une meilleure compréhension des phénomènes impliqués en passant par une caractérisation approfondie du complexe, dans sa formulation actuelle aux différentes étapes du procédé. Ensuite, des modifications de formulations ont été envisagées. En particulier, l'effet de la structure et de la masse molaire des polymères sur l’adhésion a été étudié. Dans tous les cas, il a été envisagé de tester les possibilités offertes par l'utilisation d'un solvant différent (DMSO). Ce dernier étant un meilleur solvant du PVDF est plus facile à éliminer que le PC. Enfin, à partir des données rhéologiques du mélange, une modélisation mécanique, en utilisant le modèle de Maxwell à plusieurs temps de relaxation, a été menée dans l'opération de laminage du mélange en prenant en compte un comportement viscoélastique du gel. Toutes ces études ont permis de conclure sur les modifications pertinentes de la formulation ainsi que des conditions du procédé / The objective of this work is to consider changes in formulation or process of the geltrusion technology developed by Batscap to increase the reliability of supercapacitors by limiting self-discharge. The technology is based on the simultaneous extrusion of polymers (PVDF, PVDF-HFP), solvent (propylene carbonate) and fillers (activated carbon, carbon black). The mixture carried out in a twin-screw extrusion is then filmed and laminated on the aluminium collector. Therefore, it was important to understand the interactions between the different components of the electrode, and especially to study the miscibility of the ternary system polymer/polymer/solvent and also the adsorption of solvent on fillers. This approach has allowed a better understanding of the phenomena involved through a characterization of the complex, in its current form at different stages of the process. Then, changes in formulations were considered. In particular, the effect of the structure and molecular weight of the polymers on adhesion was studied. In all cases, it was envisaged to test the possibilities offered by the use of a different solvent (dimethyl sulfoxide). The latter being a better solvent for the PVDF, is also easier to remove than propylene carbonate. Finally, from the rheological data of the mixture, a mechanical modeling, using the multimodal Maxwell model, was conducted in the lamination step taking into account of the viscoelastic behavior of the gel. All these studies allow us to conclude on the relevant changes in the formulation and process conditions

Ce travail est consacré à la modélisation, simulation et optimisation des réacteurs catalytiques gaz/solide à lit fixe multitubulaire pour la production de l'acroléine à partir du propylène ou du glycérol. La première partie du travail traite de l'oxydation catalytique du propylène en acroléine. Différents modèles cinétiques et du réacteur ont été développés. Les paramètres inconnus mis en jeu sont identifiés à partir des mesures expérimentales. Un ensemble de variables opératoires qui maximisent les rendements des produits clés ont ensuite été déterminés en utilisant le modèle validé. La seconde partie du travail concerne la production d'acroléine à partir du glycérol. Elle comprend une étape de déshydratation du glycérol et une étape de régénération du catalyseur. Un modèle hétérogène bidimensionnel a été développé. Pour la régénération du catalyseur, un modèle cinétique qui permet d'identifier la concentration et les compositions initiales du coke et de prédire le processus de sa combustion a été développé et identifié à l'aide de mesures expérimentales. L'optimisation de l'étape de régénération du catalyseur a ensuite été effectuée. Pour l'étape de déshydratation, un modèle cinétique qui permet de simuler simultanément la déshydratation du glycérol, la formation du coke et la variation de l'activité du catalyseur a été développé et identifié à l'aide de mesures expérimentales. / In this work, modeling, simulation and optimization of multitubular gas/solid fixed bed catalytic reactors for acrolein production from propylene or from glycerol are investigated. The first part of the work deals with the catalytic oxidation of propylene to acrolein. Different kinetic and reactor models are developed and the unknown parameters involved are identified from experimental measurements. A set of operating variables that maximize the yield of key products then determined using the validated reactor model. The second part of the work is devoted to the production of acrolein from glycerol. This part consists of two steps: a glycerol dehydration step and a catalyst regeneration step. A two-dimensional heterogeneous model is developed. In the catalyst regeneration step, a kinetic model enabling the identification of the concentration and initial compositions of the coke and the prediction of its combustion process is developed and identified using experimental measurements. The optimization of the operating conditions of the regeneration step is then carried out. In the dehydration step, a kinetic model that allows the simultaneous simulation of glycerol dehydration, coke formation and catalyst activity variation is developed and identified by means of experimental measurements.

Ce travail est consacré à la synthèse et à la caractérisation physico-chimique de nouveaux systèmes à base de polysaccharides naturels, le hyaluronane (HA) et le chitosane (CHI), présentant une transition sol-gel thermoréversible en milieu aqueux.<br />Ces réseaux tridimensionnels résultent d'interactions hydrophobes interchaînes entre des chaînes thermosensible d'un copolymère aléatoire d'unité oxyde d'éthylène et oxyde de propylène (POEP) greffées sur le squelette polysaccharidiques. Ces interactions sont induites par chauffage.<br />Afin d'évaluer l'influence des greffons des dérivés polysaccharides possédant différents degrés de substitution, le phénomène de thermoassociation a été étudié en milieu aqueux par des mesures rhéologiques en écoulement et en régime dynamique, de calorimétrie différentielle à balayage et de spectroscopie RMN 13C.<br />Ces systèmes sont sensibles à la variation de divers paramètres externes tels que la force ionique du milieu aqueux ou la concentration en polymères. <br />Les hydrogels obtenus au cours de ce travail présentent des applications potentielles dans les domaines biomédical, pharmaceutique et cosmétique.

Cette étude est une contribution à la valorisation du grignon d’olives (GO), sous produits oléicoles à caractère lignocellulosique. La voie proposée consiste à utiliser le GO comme charge dans des polymères de grande diffusion à savoir le poly (éthylène/propylène) [CEP] d’origine fossile et le poly (acide lactique) [PLA], issu des ressources renouvelables. Les différentes formulations, CEP/GO et PLA/GO, élaborées à l’état fondu dans une extrudeuse bivis ont été étudiés du point de vue des propriétés rhéologiques, thermique, mécanique et de la morphologie. Différents tiers-corps copolymères de structures diverses ont été utilisés dans le but de promouvoir l’adhésion à l’interface des composants et/ou de réduire la dégradation du polymère matrice et améliorer les performances des systèmes composites ainsi conçus. Les observations morphologiques ont corroboré parfaitement l’ensemble des propriétés étudiées. / This study is a contribution to the valorization of Olive Solid Waste (OSW) which displays a Lignocellulosic nature. The proposed approach consists in using the OSW as a filler in commodity polymers namely the poly (ethylene/propylene) [CEP] of fossil origin and the poly (lactic acid), derived from renewable resources. The different formulations, CEP/GO and PLA/GO, processed in the molten state in a twin screw extruder were studied from the side of rheological, thermal, mechanical properties and morphology. Different copolymers of various structures were used in order to promote the adhesion in the interface of the components and/or to reduce the polymer matrix degradation and to improve the composite systems performances. Morphological observations corroborated perfectly the studied properties.

Les EPDM (Ethylène Propylène Diène Monomère) sont employés comme isolants des câbles électriques des centrales nucléaires. En raison de l’environnement radioactif, ils se dégradent plus rapidement qu’en environnement classique. La détermination de leur durée de vie est donc un enjeu industriel important. Pour y parvenir, ce travail a d’abord consisté à déterminer l’influence de la composition des EPDM sur leurs cinétiques de dégradation. Ainsi, deux EPDM de composition chimique différente ont été irradiés sous rayonnement en présence d’oxygène. Les suivis de la fraction soluble et de la densité de chaines actives en fonction de la dose, ont permis de mettre en évidence une dégradation par réticulation et coupures de chaines. A partir de modèles statistiques, les cinétiques de ces deux processus ont pu être estimées : la réticulation dépend de la proportion en ENB résiduels tandis que les coupures de chaines sont indépendantes de la composition chimique et du degré de réticulation initial. De plus, au - delà d’une certaine dose, les nœuds de réticulation semblent progressivement détruits. Nous nous sommes ensuite intéressés aux conséquences de l’irradiation sur les propriétés mécaniques et ce, d’abord à 80°C, pour s’affranchir de la présence de cristallites. Si dans tous les cas, l’irradiation conduit à une décroissance de la contrainte à la rupture, nos matériaux montrent une déformation à rupture qui augmente avec la dose contrairement aux matériaux de Planès et al. Pour s’affranchir du rôle des hétérogénéités sur l’initiation de fissure, les propriétés mécaniques d’éprouvettes entaillées ont ensuite été étudiées. L’énergie de déchirement est corrélée à l’énergie de rupture des matériaux entaillés et peut être décrite par le modèle de Lake et Thomas, à condition de prendre en compte la longueur réelle entre nœuds de réticulation des matériaux irradiés. Aussi, les propriétés en rupture de tous les matériaux sont améliorées quand ils sont étudiés à 25°C et la présence de cristallites masque les conséquences de la dégradation ; cet effet est ici très marqué en raison d’une importante chimie - cristallisation. Des EPDM chargés ATH ont alors été étudiés. Nos résultats confirment une accélération de la dégradation par les ATH, dépendant de la surface spécifique des charges. La compréhension des propriétés en rupture des composites s’avère complexe car la rupture peut être entrainée par divers processus en compétition. L’évolution des propriétés mécaniques des composites testés à 25°C est, comme pour la matrice pure, dépendante de l’évolution de la cristallinité et des propriétés de la phase amorphe. Enfin, ce travail remet en cause la pertinence des critères de durée de vie actuellement utilisés dans l’industrie. Les énergies de rupture étant plus directement corrélées aux paramètres microstructuraux, ne faudrait-il pas plutôt considérer ce paramètre comme critère? / EPDM (EThylene Propylene Diene Monomer) are used as insulation for electrical cables in nuclear plants. Because of the radiative environment, the degradation of these cables is accelerated and a strong industrial challenge consists in the prediction of the cables lifetime. To address this crucial industrial concern, we first looked into the influence of the chemical composition of EPDM on their kinetics of degradation. To do so, two EPDM with different chemical compositions have been irradiated under radiations and in the presence of oxygen. The soluble fraction and the active chain density have been monitored as a function of the irradiation dose, and revealed the degradation by cross-linking and chain scissions. Furthermore, the kinetics of these mechanisms have been estimated based on statistical models: the cross-linking kinetics depends on the residual ENB content while the chain scission kinetics vary neither with the chemical composition nor the initial cross-linking degree. Moreover, beyond an irradiation dose, the cross-links are progressively broken. The mechanical performances were then studied at 80°C to prevent crystallinity. If the irradiation induces a decrease of the stress at break, the materials show an increase of the strain at break conversely to the EPDM systems studied by Planès et al. The mechanical properties of notched samples have then been employed in order prevent heterogeneities driven crack initiation. The tearing energy measured was correlated with the failure energy of notched samples andcan be described by the Lake and Thomas model with account for the real length between cross-links. The same study has then been performed at 25°C where the properties at break are seen to improve. Such improvements despite irradiation confirm that crystallites attenuate the degradation. This effect is more pronounced for the current set of materials because of a strong chemi-crystallisation. The addition of ATH fillers has been studied as well, showing an acceleration of the matrix degradation with the specific surface of the fillers. The understanding of the mechanical properties at break of filled materials seems complex because the failure can be obtained by various competing processes. Nevertheless, the matrix chemical nature can be mentioned as an important factor since the difference between the matrix mechanical properties and the matrix-filler interface properties will trigger the creation of macro-defects at the origin of failure. As for the neat matrix, the evolution of the composites mechanical properties tested at 25°C depends on the evolutions of both the crystallinity and the amorphous phase. More generally, this work questions the relevance of the actual lifetime criterion used in the industry. The energies at break are more directly correlated to the microstructural parameters and thus could correspond to a relevant criteria for predicting these systems lifetime.

Le centre de recherche ArcelorMittal de Montataire développent de nouvelles solutions acier innovantes associant métal et polymère. Pour les ailes de voiture, le composite retenu est un matériau multicouche composé d’une lame d’acier sur laquelle est déposé un film mince de polypropylène choc chargé avec des particules minérales par l’intermédiaire d’une fine couche de polypropylène fonctionnalisé par le greffage d’anhydride maléique. Afin de prévoir et de connaitre le comportement de la partie organique du matériau lors de sa mise en forme par emboutissage et à posteriori de prédire l’état de ses propriétés mécaniques lors de son utilisation, la détermination des lois de comportement mécanique vrai et intrinsèque sur le modèle de la loi G’sell et Jonas est nécessaire. Ces lois sont définies selon trois chemins de déformation : la traction uniaxiale, le cisaillement simple et la traction plane. Les micromécanismes de déformation de la microstructure semi-cristalline des différentes formulations des matériaux selon leur mode de sollicitation mécanique ont été étudiés. Les résultats obtenus Post Mortem et In Situ ont permis la description qualitative et quantitative des évolutions des principales modifications microstructurales. Ces dernières diffèrent avec l’ajout de charges minérales. Deux nouvelles méthodes, la Tomographie X et la spectroscopie Raman permettent la détermination de la déformation volumique dans le cas de matériau de géométrie fine (300 µm). Le retrait lors d’un cycle thermique est étudié. Les influences du chauffage, de la formulation et de la microstructure (orientation des chaînes macromoléculaires et endommagement volumique) sont décrites / The ArcelorMittal research centre of Montataire elaborates innovative steel / polymer products. In the case of automotive fenders, the composite is a multilayered material. A thin impact polypropylene film is laminated on steel using a thin layer of a functionalized polypropylene. Mineral particles are added to improve stiffness. In order to predict and understand the behaviour of the organic layer all along its production process and finally to be able to characterize the state of its mechanical properties in use, the determination of the true and intrinsic mechanical behaviour laws according to the G’sell and Jonas model is necessary. These laws are obtained for three different mechanical paths: uniaxial tensile, simple shear and plane tensile. The deformation micromechanisms of the impact polypropylene semi-crystalline microstructure which depend on the materials formulations and on the mechanical path used are studied. Post Mortem and In Situ results give qualitative and quantitative description of the main microstructural modifications. Two new methods, X Tomography and Raman spectroscopy allow the quantification of the volume deformation which is developed during tensile tests. They are mainly available for very thin samples. X radiography and VideoTraction™ are not suitable anymore for this kind of geometry. Finally, the thermo-mechanical phenomenon of shrinkage which occurs during thermal treatment above the material melting point is analysed. Influences of the heating conditions, of the material formulations and of the material microstructure are described. Special overviews are done on the macromolecular chains orientation and on the volume damage influences