Cette thèse porte sur l'étude rhéocinétique de deux systèmes époxy/amine, DGEBA/DETDA et DGEBA/IPD pour le rotomoulage réactif. Les paramètres cinétiques du mécanisme auto-catalytique et non catalytique de la réticulation isotherme ont été identifiés par une méthode inverse à l'aide des résultats du suivi cinétique par spectroscopie proche infra rouge (PIR). La différence du comportement rhéocinétique entre les deux systèmes est attribuée à la différence de réactivité intrinsèque des groupes amines mis en jeu et l'importance de l'effet de substitution (réactivité des amines primaires par rapport aux amines secondaire) des deux durcisseurs. Une nouvelle méthode de détermination de l'effet de substitution a été établie, en utilisant les taux de conversion de l'époxy et de l'amine primaire mesurées par PIR. L'analyse des phénomènes de vitrification et gélification des deux systèmes a permis d'établir le diagramme Temps-Température-Transformation (TTT). La comparaison de la rotomoulabilité des deux systèmes a été effectuée par l'ajout des courbes d'iso-viscosité sur le diagramme TTT. L'écoulement au cours du rotomoulage a été modélisé par un écoulement à surface libre sous gravité d'un fluide réactif à l'intérieure d'un cylindre horizontal en rotation autour de son axe principal. Dans le cas des fluides de viscosité faible, la méthode lagrangienne de Smoothed Particle Hydrodynamics SPH, a été appliquée en utilisant une expression adaptée de la viscosité.

Les matériaux isolants organiques font l'objet de beaucoup d'études pour comprendre les mécanismes de vieillissement et déterminer les précurseurs des dégradations. Dans ce travail, le comportement sous contraintes électrique et thermique d'un isolant est suivi vis-à-vis de la génération et de l'évolution de charges d'espace ainsi que des mécanismes de conduction. Le matériau étudié est un composite à base de résine époxy. Il est utilisé sous forme chargé ou non chargé de silice, à des températures inférieures et supérieures à la température de transition vitreuse (Tg=65°C). La génération de charges d'espace à faible champ (2 kV/mm) a été observée. L'accumulation des charges injectées à partir des électrodes à 55°C ainsi que le rôle de l'eau dans la génération d'hétérocharges positives à 80°C ont été mis en évidence. De même, l'étude des mécanismes de conduction a montré une limitation du courant par le volume (modèle de conduction par saut) en-dessous de la Tg alors qu'à 80°C le courant est limité par l'injection de charges par effet Schottky aux électrodes. La caractérisation d'échantillons vieillis sous contraintes électriques et thermiques a montré des modifications à basse fréquence des propriétés diélectriques (e et tan d) au cours du vieillissement.

L'objectif de ce travail de thèse a été d'évaluer, à partir d'outils de caractérisation électrique (spectroscopie d'impédance basse fréquence et courants thermo-stimulés), l'impact des étapes de polissage mécanochimique (CMP) et de recuits thermiques sur les propriétés diélectriques de matériaux utilisés pour les dernières générations de circuits intégrés. Une première partie est focalisée sur le matériau SiOCH poreux déposé par voie chimique " en phase vapeur " assisté par plasma (PECVD) suivant une approche porogène (p=26%, d=2nm et er=2,5). Son intégration dans les technologies 45nm nécessite l'utilisation d'un procédé de 'CMP directe' qui induit une dégradation des propriétés isolantes attribuée à l'adsorption de surfactants et de molécules d'eau. L'analyse diélectrique sur une large gamme de fréquence (10-1Hz- 105Hz) et de température (-120°C -200°C) a mis en évidence plusieurs mécanismes de relaxation diélectrique et de conduction liés à la présence de molécules nanoconfinées (eau et porogène) dans les pores du matériau. L'étude de ces mécanismes a permis d'illustrer le phénomène de reprise en eau du SiOCH poreux ainsi que d'évaluer la capacité de traitements thermiques à en restaurer les performances. Une seconde partie concerne l'étude d'une résine époxy chargée avec des nanoparticules de silice, utilisée en tant que 'wafer level underfill' dans les technologies d'intégration 3D. Les analyses en spectroscopie d'impédance ont montré que l'ajout de nanoparticules de silice s'accompagne d'une élévation de la température de transition vitreuse et de la permittivité diélectrique, ainsi que d'une diminution de la conductivité basse fréquence. L'autre contribution majeure des mesures diélectriques a été de montrer qu'un refroidissement trop rapide de la résine à l'issue de la réticulation était responsable d'une contrainte interne qui pourra occasionner des problèmes de fiabilité pour l'application.

La substitution des composés carbonés d'origine fossile par des matières premières renouvelables représente un enjeu majeur et stratégique pour l'environnement, l'économie, et la santé publique. Nous nous sommes particulièrement intéressés au cas des dérivés du phénol, largement utilisés dans le domaine des matériaux synthétiques (résines, plastiques). Des travaux antérieurs ont démontré le potentiel des monomères de flavanols, sous-unités constitutives des chaines polymériques des tanins condensés comme substituts aux phénols issus de la pétrochimie, tels que le bisphénol A, l'objectif du présent travail a été de contribuer au développement d'une voie industrielle d'accès à de tels composés par dépolymérisation des tanins condensés (proanthocyanidines), une ressource végétale abondante mais actuellement peu exploitée pour ce type d'applications. Cette dépolymérisation peut être obtenue par rupture de la liaison interflavanique en milieu acide et piégeage des carbocations formés par un réactif nucléophile. Différentes stratégies et conditions ont été étudiées pour mieux comprendre le rôle de l'acide, du nucléophile, du solvant et l'impact de la température sur la réaction de dépolymérisation. Les stratégies sélectionnées, menées sur un dimère B2 pur servant de modèle et sur un extrait industriel de tanins de pépins de raisins blancs issus de marcs à l'échelle du gramme, ont été comparées en termes de rendement, de cinétique, de stabilité des produits, et de facilité de mise en œuvre et de traitement dans la perspective d'une production à plus grande échelle respectant au mieux les objectifs du développement durable et les contraintes de l'industrialisation. / The substitution of fossil carbon by renewable raw materials is a major strategic challenge for the environment, economy and public health. Our thesis focuses on the utilisation of phenol derivatives, which are widely used in the field of synthetic materials (resins, plastics). Previous studies have demonstrated the potential of plant flavanol monomers as substitutes for petrochemical phenols such as bisphenol A. The objective of this work was to contribute to the development of an industrial access to such compounds by depolymerization of condensed tannins (proanthocyanidins), an abundant plant resource currently untapped for such applications. Depolymerization can be performed by breaking the interflavan bonds in acidic medium and scavenging the released carbocations by a nucleophilic reagent. Various strategies and conditions were studied and compared to better understand the role of the acid, the nucleophile and the solvent and temperature in the depolymerisation reaction. The selected strategies, applied on a pure B2 dimer used as a model and an industrial seed tannins extract from white grape pomace at the gram scale, were compared in terms of performance, kinetics, product stability, ease of implementation and work-up in the context of a larger scale production complying with the objectives of sustainable development and the constraints of industrialization.

Dans le cadre de la caractérisation des combustibles nucléaires irradiés, une résine est utilisée pour enrober des échantillons de matériau combustible. Or la gestion de ces échantillons après usage implique la définition d'un procédé de séparation du matériau combustible de la résine d'enrobage. Cette séparation est en effet rendue nécessaire par la possibilité de dégradation de la résine et de libération de gaz sous l’effet de phénomènes de radiolyse dus aux rayonnements α, β et γ; des combustibles. Un traitement thermique est envisagé pour cette séparation. Les travaux, qui visent à améliorer la connaissance des phénomènes, s'appuient à la fois sur des expérimentations sur systèmes modèles et sur la modélisation des réactions de pyrolyse de la résine et des transferts couplés de matière, de chaleur et de quantité de mouvement. Une des difficultés de l'étude réside dans la nécessité de maîtriser le procédé à différentes échelles : une échelle globale, correspondant aux conditions de traitement visées dans le four, et une échelle locale correspondant aux conditions au voisinage immédiat du matériau combustible. Les essais expérimentaux sont réalisés d’une part en thermo-balance pour l’acquisition de données cinétiques et d’autre part sur un four pilote afin de traiter des quantités plus significatives de résine. Le procédé choisi comporte deux étapes, une première étape de pyrolyse suivie d’une étape d’oxydation du résidu de pyrolyse. Les deux étapes sont susceptibles d’oxyder le combustible lui-même. En effet, la première étape de pyrolyse conduit à la formation d’un mélange gazeux qui peut rendre l’atmosphère localement oxydante. La seconde étape est oxydante par définition. La pyrolyse de la résine produit des gaz incondensables, de la vapeur d’eau, des goudrons et un résidu carboné dont la teneur finale en hydrogène doit être nulle. L’étude du procédé de pyrolyse comporte plusieurs parties. La première partie consiste à étudier la cinétique globale de dégradation de la résine époxy et à déterminer la cinétique de dégagement des différents gaz. Pour prendre en compte la présence du combustible dans le milieu de traitement, des expériences de traitement d’un mélange époxy-UO2 en thermo-balance ont été réalisées. Les résultats montrent l’absence d’un effet significatif de la présence du combustible. La deuxième partie est l’intégration des résultats expérimentaux obtenus dans le modèle. La modélisation du four est réalisée dans l’environnement COMSOL Multiphysics®. Les résultats montrent un bon accord avec les mesures expérimentales. Sur la base de cette modélisation, une amélioration du four d’essai a été proposée. A la fin de l’étape de pyrolyse, la phase solide résiduelle contient toujours de l’hydrogène. Pour minimiser cette quantité, l’oxydation du résidu de pyrolyse est une étape nécessaire. Deux types de procédés ont été proposés à savoir l’oxydation sous une atmosphère contrôlée en oxygène et la gazéification sous dioxyde de carbone qui permettent l’élimination du résidu de pyrolyse en laissant intègre le combustible uranium dans des conditions bien définies. / In order to characterize nuclear fuels, samples are currently embedded in an epoxy polymer resin. In storage conditions, the presence of organic products in contact with highly radioactive material generates gas due to a radiolysis phenomenon. Samples management imposes the definition of a fuel and resin separation process. This work aims at developing a tool for the optimal design and control of a suitable heat treatment process. This development is based on experiments and on the modeling of the resin pyrolysis reactions coupled to mass, heat and momentum transfers. One of the difficulties of the study lies to the needed process control on various scales: i) on a global scale to represent the treatment conditions and ii) on a local scale to represent the conditions close to fuel material. This study uses a combined modeling - simulation approach with experiments carried out with the help of a thermo-balance for kinetic data acquisition, on the one hand and in an experimental oven, on the other hand. The process will be performed in two stages, resin pyrolysis and residue (Char) oxidation. Nuclear fuel can be oxidized during both stages. Indeed, the pyrolysis degrades the resin and generated pyrolysis gases, which produce an oxidizing atmosphere. Oxidation of pyrolysis residue can modify the structure of spent fuel and liberate fission gases. The resin pyrolysis produced incondensable gases, steam, tar and char. The final hydrogen content in the char has to be as low as possible and close to zero to be sure that the radiolysis phenomenon will never occur during of nuclear fuel storage. The process development has been carried out in stages. The first step is to investigate the overall kinetics of epoxy degradation and the determination of the generated gas kinetics. The influence of the presence of nuclear fuel is investigated with epoxy-UO2 mixture. The results showed no significant effect of the nuclear fuel presence. The second part is the coupling of kinetic model to the partial differential equations (mass, energy and momentum balance) to obtain a representative model of the oven in terms of temperature and chemical species composition. The Modeling of the oven is carried out using COMSOL Multiphysics® software. The results showed a good agreement with experimental measurements. After pyrolysis, char still contains significant amount of hydrogen. To minimize this quantity, the oxidation of the char is a necessary step. Two treatment types are proposed: An oxidation under a controlled oxygen atmosphere and carbon dioxide gasification. These methods are efficient to eliminate the residual of hydrogen content while keeping the fuel integrity.

Ce travail de thèse porte sur le développement d’une nouvelle génération de mousses polymères biosourcées capables de satisfaire la fonction d’âme alvéolaire et structurale de pièces automobiles. Les formulations époxy choisies comme base polymère reposent sur deux différents prépolymères époxy, l’huile de lin époxydée (ELO) et le glycérol époxydé (GE). Ces derniers, associés en proportions variables, sont réticulés avec deux différents durcisseurs : l’isophorone diamine (IPDA) ou l’anhydride méthyl tétrahydrophtalique (MTHPA). Les formulations ternaires « ELO – GE – durcisseur » ont été caractérisées selon une approche multi-techniques (DSC, TGA, rhéométrie dynamique et en mode permanent) permettant d’établir des relations structure-propriétés fiables. Puis, la production d’une mousse a été possible grâce à la maîtrise d’une réaction chimique qui se déroule parallèlement à la réticulation de la résine époxy. Le bicarbonate de sodium et de potassium ont été retenus comme agents moussants. Afin d’améliorer les performances finales des mousses, la proportion de GE au sein des formulations polymère à base IPDA a été augmentée. Mais, une telle modification induit la dégradation thermique du système à cause de l’exothermicité élevée de la réaction de réticulation. L’introduction d’un absorbeur d’exothermicité, permet grâce à sa décomposition endothermique de contrôler l’excès de chaleur dégagée et par la même d’empêcher la dégradation. Une dernière classe de durcisseurs a également été étudiée et donne après optimisation des mousses dotés d’excellentes propriétés ultimes. Ainsi, une large gamme de mousses biosourcées rigides et légères pouvant être mises en œuvre dans un temps très court a été développée. / This thesis focuses on the development of a new generation of bio-based polymer foams able to produce low density core in sandwich structure for automotive applications. The polymer formulations used in this research contain two different epoxy compounds, epoxidized linseed oil (ELO) and the epoxidized glycerol (GE). Combined in varying proportions, they were cured with two different hardeners, isophorone diamine (IPDA) or methyl tetrahydrophthalic anhydride (MTHPA). Ternary formulations “ELO – GE – hardener” were characterized by a multi-techniques approach (DSC, TGA, rheometry in steady or dynamic mode) in order to establish structure-property relationships. The production of polymeric-foam materials was carried out by tuning a chemical reaction which takes place during curing. Sodium bicarbonate and potassium bicarbonate were used as harmless foaming agents. In order to improve the final performances of the foams, the ratio GE/ELO was increased in the reactive formulations based on IPDA hardener. But, such modification provokes also the thermal degradation of the system because of the high exothermicity of the curing reaction. The introduction of “exothermicity regulators” that undergo endothermic transformations allowed to control the excess of released heat and consequently, to prevent the material degradation. A last class of hardener was also studied and made it possible after optimization the production of foams with good ultimate properties. To conclude, a large range of biobased and lightweight rigid foams able to be produced in a few minutes was developed.

Ce travail de thèse porte sur l’étude et la mise en évidence de relations microstructure-propriétés dans des revêtements modèles à base époxy représentatifs de peinture anticorrosion. Ces relations sont établies aussi bien à l’état initial que lors de vieillissements hygrothermiques. Cette étude a tout d’abord consisté à caractériser les propriétés physico-chimiques et mécaniques du système stœchiométrique DGEBA/DAMP totalement réticulé. Ces propriétés ont été comparées à celles du système DGEBA/TETA et ont permis de montrer la forte influence de la microstructure sur ces propriétés initiales. Des vieillissements hygrothermiques cycliques à différentes températures sur films libres ont été effectués pour mesurer l’impact de la microstructure sur la durabilité des systèmes époxy. Ces travaux ont pu montrer l’influence des interactions eau-polymère dans les phénomènes de diffusion. De plus, les évolutions de certaines propriétés physico-chimiques et mécaniques ont pu être caractérisées à l’aide de la DMA (mors submersibles), lors des différentes étapes de sorption-désorption. Un comportement pseudo-fickien a pu être mis en évidence lors de la première sorption, suivi d’un comportement fickien lors des autres étapes. Les causes inhérentes à cette évolution ont pu être avancées, en mettant en jeu des réorganisations microstructurales des systèmes époxy étudiés. D’autres vieillissements hygrothermiques ont été réalisés à l’aide de la SIE sur des revêtements pour étudier l’effet de l’interface revêtement/substrat acier sur les phénomènes de diffusion, notamment le rôle des contraintes résiduelles. L’influence de la contrainte visco-élastique sur les phénomènes de prise en eau des revêtements a finalement été étudiée. / This work highlights the microstructure-properties relations inside representative epoxy based model coatings for anticorrosion paints. These relations have been established for the initial state as well as the hygrothermal ageing. First, we characterised physico-chemical and mechanical properties of the totally crosslinked DGEBA/DAMP stoichiometric system. These properties have been compared to the DGEBA/TETA system and they showed the strong influence of the microstructure on these initial properties. Cyclic hygrothermal ageing have been completed at different temperatures on free films, in order to measure the impact of the microstructure on the durability of epoxy systems. This work has shown the influence of the water-polymer interactions on diffusion phenomena. Moreover, the evolutions of several physico-chemical and mechanical properties have been characterised using DMA (submersible clamps), during different sorption-desorption steps. A pseudo-fickian behaviour has been evidenced during the first sorption, and it was followed by a fickian behaviour for all other steps. The inherent causes of this evolution have been proposed, by considering microstructural reorganisations of the studied epoxy systems. Other hygrothermal ageing have been carried out using EIS on coatings, in order to study the effects of the coating/steel substrate interface on diffusion phenomena, especially the role of residual stresses. We finally studied the influence of the visco-elastic stress on the coating water intake phenomena.

Les résines époxy renforcées par des nodules thermoplastiques sont largement utilisées dans les matériaux composites à matrice organique de l’industrie aéronautique. Dans le cas particulier des stratifiés, les résines époxy déterminent la résistance du milieu inter-laminaire au délaminage. Ce processus de décohésion macroscopique apparaît classiquement lors d’un impact dynamique et compromet fortement l’intégrité des structures composites légères. Pourtant, les modèles cohésifs actuels ne sont pas prévus pour la simulation du délaminage sous sollicitation rapide. Notamment, l’influence présumée de la dynamique sur la rupture du milieu inter-laminaire riche en résine époxy n’est pas prise en compte. Par conséquent, cette recherche consiste à caractériser l’initiation et la propagation de fissure dans une résine époxy sous chargement dynamique. Dans cet objectif, des éprouvettes entaillées sont fabriquées à partir de la résine époxy Hexply RM21 spécifique du domaine aéronautique. Un protocole expérimental est développé et validé afin d’estimer les ténacités d’initiation et de propagation d’une éprouvette chargée en flexion 3-points par un vérin hydraulique. Les essais réalisés démontrent que la ténacité dynamique augmente fortement avec la vitesse de propagation de fissure, à l’inverse de la ténacité d’initiation qui diminue avec la vitesse d’impact. Ces évolutions sont cohérentes avec les micrographies réalisées post-mortem qui présentent une augmentation des mécanismes de rupture. Finalement, une loi cohésive est définie et identifiée pour prendre en compte l’influence de la dynamique sur l’initiation et la propagation d’une fissure dans la résine époxy étudiée. / Epoxy resins toughened with embedded thermoplastic particles are classically used in the aeronautical composites manufacturing. As matrix into laminated composites, epoxy resins determine the delamination resistance of the interlaminar field. The delamination process is a large decohesion that often occurs during impact loadings and it critically compromises the integrity of the light weight composite structures. However, most of the cohesive zone models are not intended to simulate delamination under high rate loadings. In particular, these models do not consider the expected effects of loading rate on fracture behaviour of the resin-rich interlaminar field. Therefore, this research aims at characterizing crack initiation and propagation in epoxy resins under dynamic loadings. For that purpose, we manufacture notched specimens made of pure Hexply RM21 epoxy resin which is mainly used in aeronautics. An experimental procedure is developed and validated in order to estimate initiation and propagation fracture toughness on a 3-points bending test associated to a servo-hydraulic testing machine. Experimental results demonstrate that the dynamic fracture toughness highly increases with the crack propagation speed while the initiation toughness decreases with the impact velocity. These evolutions are consistent with post-mortem micrographic observations that show intensifying fracture mechanisms. Finally, a cohesive law is defined and identified to take into account the dynamic dependency of crack initiation and propagation in the considered epoxy resin.

La résine époxy dont ce travail fait l'objet, trouve son application dans les transformateurs moyenne et haute tension. Sa particularité est d'être renforcée par des particules métalliques et minérales et d'être utilisée au dessus de sa température de transition vitreuse (Tg=65°C). La durée de vie de cette résine - comme celle de tout isolant organique de type polymère - peut être conditionnée par la contrainte électrique et notamment par des mécanismes de dégradation et de rupture diélectrique. En amont de cela il y a le vieillissement électrique dont aucun mécanisme physique n'est à ce jour démontré. Une hypothèse cependant est avancée : la charge d'espace et l'électroluminescence seraient des marqueurs de vieillissement électrique. Dans les termes de cette hypothèse, nous avons voulu comprendre le comportement de cette résine vis-à-vis de la charge d'espace, de l'électroluminescence, du courant, et de la photoluminescence. Nous avons notamment révélé que des phénomènes de charge d'espace et d'électroluminescence tiennent place dans cette résine époxy, avec une forte accélération des processus au-delà de 10kV/mm. Il reste à valider la phase en aval de notre modèle de vieillissement, à savoir : l'implication de la charge d'espace et de phénomènes collatéraux à l'électroluminescence dans la formation de vacuoles et/ou dans la modification critique des propriétés électriques, phénoménologie usuellement associée à la question du vieillissement électrique.

L'objectif de ce travail de thèse a été d'évaluer, à partir d'outils de caractérisation électrique (spectroscopie d'impédance basse fréquence et courants thermo-stimulés), l'impact des étapes de polissage mécanochimique (CMP) et de recuits thermiques sur les propriétés diélectriques de matériaux utilisés pour les dernières générations de circuits intégrés. Une première partie est focalisée sur le matériau SiOCH poreux déposé par voie chimique « en phase vapeur » assisté par plasma (PECVD) suivant une approche porogène (p=26%, d=2nm et er=2,5). Son intégration dans les technologies 45nm nécessite l'utilisation d'un procédé de ‘CMP directe' qui induit une dégradation des propriétés isolantes attribuée à l'adsorption de surfactants et de molécules d'eau. L'analyse diélectrique sur une large gamme de fréquence (10-1Hz- 105Hz) et de température (-120°C -200°C) a mis en évidence plusieurs mécanismes de relaxation diélectrique et de conduction liés à la présence de molécules nanoconfinées (eau et porogène) dans les pores du matériau. L'étude de ces mécanismes a permis d'illustrer le phénomène de reprise en eau du SiOCH poreux ainsi que d'évaluer la capacité de traitements thermiques à en restaurer les performances. Une seconde partie concerne l'étude d'une résine époxy chargée avec des nanoparticules de silice, utilisée en tant que ‘wafer level underfill' dans les technologies d'intégration 3D. Les analyses en spectroscopie d'impédance ont montré que l'ajout de nanoparticules de silice s'accompagne d'une élévation de la température de transition vitreuse et de la permittivité diélectrique, ainsi que d'une diminution de la conductivité basse fréquence. L'autre contribution majeure des mesures diélectriques a été de montrer qu'un refroidissement trop rapide de la résine à l'issue de la réticulation était responsable d'une contrainte interne qui pourra occasionner des problèmes de fiabilité pour l'application. / The aim of the thesis was to investigate, by electrical means (dielectric spectroscopy and thermally stimulated current), the impact of the chemical-mechanical polishing process and of thermal treatments on the dielectric properties of materials used in state-of-the-art Integrated Circuit (IC) technologies. A first part focuses on the nanoporous SiOCH (p=26%, e=2 nm and er=2,5) thin films deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) using a porogen approach. After undergoing a process of direct CMP for its integration in the 45 nm node technology and beyond, those films experience a degradation of the insulating properties due to the adsorption of water and surfactants. A dielectric analysis performed on a wide range of frequency (10-1Hz - 105Hz) and temperature (-120°C - 200°C) exhibited many dielectric relaxation and conduction mechanisms due to molecules (water and porogen) nano-confined in pores. The phenomenon of water uptake of the porous SiOCH has been enlightened and the efficiency of thermal treatment to restore its performances has been evaluated through the study of these mechanisms. A second part deals with an epoxy resin filled with nano-particles of silica used as ‘wafer level underfill' for the 3D integration. Impedance spectroscopy showed that the addition of nano-particles induces an increase in the glass transition temperature and dielectric permittivity, as well as a decrease of the low frequencyconductivity. Furthermore, the dielectric measurements showed that a fast cool down of the resin after the cross-linking stage give rise to internal stresses which could potentially lead to reliability issues.