L’industrie aéronautique et aérospatiale fait appel à des technologies de plus en plus avancées. Plus concrètement, dans certains matériaux tels que les panneaux de satellites, la dissipation de chaleur est une réelle problématique pour les ingénieurs, pour éviter une dégradation prématurée des matériaux. En d’autres termes, l’amélioration de la conductivité thermique de certains matériaux composites constituant un satellite est devenue un enjeu majeur. Ce travail de thèse a notamment permis d’étudier et de comprendre un peu plus en détails, les mécanismes de transfert thermiques par conduction. Plus précisément, certains paramètres, telle que l’influence des interfaces, la distance moyenne inter-particulaire ou toute modification dans la régularité d’une structure cristalline, se sont révélés être particulièrement préjudiciables pour améliorer la conductivité thermique. L’état de dispersion, la fonctionnalisation des charges ou les nanoparticules n’entraînent pas nécessairement une augmentation de la conductivité thermique, mais peuvent éventuellement impacter sur d’autres propriétés, telle que la conductivité électrique. En revanche, certains paramètres intrinsèques à la charge, telle que la taille des particules, le facteur de forme, la surface spécifique, la cristallinité ou la morphologie, sont essentiels pour améliorer la conductivité thermique d’un matériau à matrice polymère. Ce travail a également permis d’illustrer la complexité du mécanisme de conduction thermique, par l’intermédiaire des résultats obtenus et hypothèses formulées dans la suite de ce mémoire. Par ailleurs, dans le cadre de cette thèse, les matériaux considérés sont des composites à base de polymères époxy, très utilisés dans les applications spatiales. L’objectif de cette thèse est, avant tout, d’améliorer la conductivité thermique des résines époxy par incorporation de charges conductrices. Nous proposons également une étude originale, basée sur l’alignement et la structuration de charges conductrices, pour mettre en évidence l’importance de l’anisotropie sur la conductivité thermique. Plusieurs charges ont été étudiées, révélant le graphite et le graphène comme les charges les plus intéressantes. L’objectif industriel de cette thèse a ainsi été largement atteint, grâce à une étude approfondie de ces charges / Aerospace and Aeronautics applications require more and more high-performance technology. More specifically, in some advanced materials such as radiator panels in satellites, the heat dissipation is a real concern for engineers, in order to avoid any premature degradation or any other negative behavior of the material. Hence, improving the thermal conductivity of some satellite’s components has become an important issue. This PhD work helped us studying and understanding in details the heat transfer mechanisms by conduction. More precisely, some parameters, such as the influence of interfaces, the mean inter-particle distance or any modification in the linearity of a crystalline structure, were revealed to be pretty detrimental for improving the thermal conductivity. The dispersion state, fillers functionalizations or nanoparticles did not necessarily show an enhancement of the thermal conductivity, but could eventually impact on other properties, such as electrical conductivity. However, some intrinsic parameters of the filler, such as the particle’s size, the aspect ratio, the specific surface area, the crystallinity or the morphology of the filler, are essential to enhance the thermal conductivity of an epoxy-based material. This work allowed us to illustrate the complexity of the thermal conduction mechanisms, through the results obtained and the assumptions made in the following manuscript. Besides, in the context of this PhD work, the materials considered here are epoxy-based composites, widely used in satellites applications. The main objective of this work is therefore to improve the thermal conductivity of epoxy resins by incorporating thermally-conductive fillers. An original study is also proposed here, based on structured and aligned thermally-conductive fillers, in order to highlight the importance of the anisotropic aspect of thermal conductivity. Several fillers were then studied, revealing graphite and graphene as most interesting particles. The industrial objective of this PhD work has been amply achieved, through a thorough study of these particles

Malgré leur grande activité antioxydante, l'utilisation de phénols naturels en tant qu'additifs antioxydants phénoliques pour les polyoléfines est limitée en raison de leur faible stabilité thermique et de leur caractère hydrophile. Nous présentons ici une synthèse chimio-enzymatique durable d’antioxydants lipophiles renouvelables spécifiquement conçus pour surmonter ces restrictions en utilisant de l’acide férulique naturel (présent dans la lignocellulose) et des huiles végétales (c.-à-d. acides lauriques, palmitiques, stéariques et glycérol). L'activité antiradicalaire (DPPH) ainsi que l'activité anti-oxydante (OIT) de ces nouveaux additifs entièrement biosourcés ont été rapportées à des antioxydants à base de carbone fossile disponibles dans le commerce tels que l'Irganox 1010® et l'Irganox 1076®. En outre, les tests d'activité œstrogénique n'ont révélé aucune perturbation du système endocrinien pour ces bisphénols nouvellement créés. La glycidylation de tous les composés a donné des précurseurs époxy biosourcés inoffensifs. Les analyses DSC, ATG et DMA démontrent que les propriétés thermomécaniques des résines époxy-amine obtenues peuvent être adaptées avec précision par le choix la longueur de la chaîne d’acides gras. / Despite their great antioxidant activities, the use of natural phenols as antioxidant additives for polyolefins is limited owing to their weak thermal stability and hydrophilic character. Herein, we report a sustainable chemo-enzymatic synthesis of renewable lipophilic phenolic antioxidants specifically designed to overcome these restrictions using naturally occurring ferulic acid (found in lignocellulose) and vegetal oils (i.e., lauric, palmitic, stearic acids, and glycerol) as starting materials. Antiradical activity (DPPH) as well as antioxidant activity (OIT) of these new fully biobased additives were reported to commercially available fossil-based antioxidants such as Irganox 1010® and Irganox 1076®. In addition, estrogenic activity tests revealed no endocrine disruption for newly created bisphenols. Glycidylation of all compounds afforded innocuous bio-based epoxy precursors. DSC, TGA and DMA analysis demonstrated that the thermo-mechanical properties of the obtained epoxy-amine resins can be finely tailored by judiciously selecting the fatty acid chain length.

Ce travail de thèse examine trois voies de valorisation de l'huile de pépins de raisin au travers de l'élaboration de matériaux polymères auto-associatifs, réticulés ou hybrides. L'huile végétale ou un modèle lipidique (l'oléate de méthyle) sont d'abord fonctionnalisés grâce à leurs insaturations menant à des huiles hydroxylées, aminées, ou phosphorées.Dans une première étude, l'huile et l'oléate de méthyle ont été hydroxylés par réaction thiol-ène. Les alcools gras sont ensuite transformés en macroamorceurs capables d'amorcer la polymérisation cationique par ouverture de cycle de la 2-méthyl-2-oxazoline. Les lipopolymères (LipoPOx) amphiphiles ainsi synthétisés sont capables de s'auto-associer et de former des nanoparticules monodisperses observées par DLS. Dans une deuxième étude, l'huile et certains de ses dérivés amide ont été modifiés sous UV par addition radicalaire du chlorure de cystéamine, conduisant à une diamine linéaire et à une polyamine ramifiée. Ces dernières ont été utilisées comme durcisseurs d'huile époxydée permettant la réticulation de résines époxy à fort taux de carbone biogénique. L'étude thermomécanique par analyse rhéologique montre que ces matériaux thermodurcissables ont des Tg comprises entre -38 et -9°C.Dans une troisième étude, les lipides ont été fonctionnalisés par addition radicalaire de diméthylphosphite par voie photochimique ou thermique. La transformation ultérieure des esters phosphonés en fonctions silylées a rendu ces composés réactifs vis-à-vis du titane et de ses oxydes. L'ancrage de lipides sur des particules de TiO2 ou des feuilles de Titane influe sur leurs propriétés de surface. / This Ph-D work deals with the valorization of grapeseed oil for the preparation of novel and various bio-based polymers. Three pathways are developed starting from lipids and leading to polymeric materials such as self-assembled polymers, thermosets and hybride polymers. First, the vegetable oil and methyloleate were modified using radical addition on their double bonds. Following, hydroxylated, aminated and phosphonated lipids were synthesized.In a first study, the oil was hydroxylated via thiol-ene coupling reaction. The fatty alcohol was then converted into initiator for the cationic ring-opening polymerization of 2-methyl-2-oxazoline. These Lipopolymers so-called LipoPOx exhibit hydrophilic POx block and fatty block. Their amphiphilic nature confer them a self-organization ability in water. A monomodal and narrow distribution of nanoparticles was observed by DLS and AFM.In a second study, the oil and some fatty amides were also functionalized by UV-induced radical addition using cysteamine hydrochloride. A linear diamine and a branched polyamine were synthesized and used as hardeners of epoxidized vegetable oil leading to thermosets with high level of bio-carbone. The investigation on thermo-mechanical properties showed a Tg between -38 and -9°C.In a last study, the lipids were modified by radical addition of dimethylphosphite using thermal or photochemical process. Then, the phosphonate esters were converted into silylated moieties making them reactive toward titanium. The anchoring of lipids onto titanium based materials induced a modification of their surface properties.

Le travail réalisé porte sur la caractérisation et la valorisation de la Biolignine™ de paille de blé extraite à l'échelle semi-industrielle par le procédé CIMV. La première partie est consacrée à l'étude structurale du produit et à la quantification de ses diverses fonctions hydroxyles et acides carboxyliques. Dans la seconde partie, la Biolignine™ a été utilisée, en tant que substituant du bisphénol-A, dans la synthèse de résine époxy. Les études de DSC et DLTMA ont démontré qu'après post-réticulation, les résines époxy Biolignine™-PEGDGE possèdent des caractéristiques thermomécaniques comparables à celles d'une résine époxy à base de bisphénol-A. Les résultats obtenus permettent désormais d'envisager la synthèse de résines époxy à base de Biolignine™ à plus grande échelle. / This thesis relates the structural characterization and the application of wheat straw BiolignineTM extracted at semi-industrial scale by the CIMV process. The first part is the structural study of the BiolignineTM and the quantification of its hydroxyl groups and carboxylic acids functions. In the second part, the BiolignineTM was used, as a substitute of bisphenol-A, in the synthesis of epoxy resins. DSC and DLTMA studies showed that after post-curing, epoxy resins of BiolignineTM-PEGDGE have thermomechanical properties similar to those of a bisphenol-A based epoxy resin. The results lead to the scope of BiolignineTM based epoxy resins synthesis at larger scale.

La grande majorité des résines époxy utilisées aujourd’hui sont issues ou dérivées du bisphénol-A (BPA). Cependant, le BPA est soumis à de très fortes régulations, notamment vis-à-vis de sa récente classification comme substance chimique extrêmement préoccupante par l’agence européenne des produits chimiques (ECHA). Dans un but d’anticiper les évolutions de régulation, ArianeGroup a décidé de remplacer cette substance chimique de ces formulations. Ces travaux de thèse portent donc sur l’élaboration de nouvelles résines époxy biosourcées ayant des propriétés similaires voire supérieures aux références dérivées du bisphénol-A. Pour cela, une bioplatforme de monomères polyépoxydés issus de la vanilline, du méthyl vanillate, du 2,6-diméthoxyphénol et de l’eugénol a été développée. Ces précurseurs biosourcés ont ensuite été utilisés comme précurseurs de réseaux époxyde par réticulation avec des amines. Les réseaux réticulés biosourcés ainsi obtenus ont démontré des propriétés thermomécaniques remarquables bien supérieures à la référence de type DGEBA, notamment en termes de température de transition vitreuse (>300 °C) et taux de coke (>50%). En parallèle de ces travaux, la synthèse de diamines biosourcées, dérivées de la divanilline, et pouvant être utilisées comme agents de réticulation de résines époxy, a été réalisée. Des réseaux époxyde entièrement biosourcés ont ainsi été synthétisés et présentent des propriétés thermomécaniques prometteuses. / Today, most of the epoxy resins produced are derived from bisphenol-A (BPA). However, BPA is subject to strong regulations, particularly because of its recent classification as chemical of very high concern by the European Chemicals Agency (ECHA). In order to anticipate new regulations, ArianeGroup has decided to replace this substance in its applications. The aim of this thesis is to develop new bio-based epoxy thermosets with comparable thermomechanical properties as the ones issued from bisphenol-A-based materials. For this purpose, a bio-platform of epoxy monomers from vanillin, methyl vanillate, 2,6-dimethoxyphenol and eugenol was developed. These precursors were cross-linked with amines used as curing agent to obtain bio-based epoxy networks. The latter demonstrated thermomechanical properties well above the DGEBA-type reference, especially in terms of glass transition temperature (> 300 °C) and char content (> 50%). Finally, the synthesis of bio-based diamines derived from divanillin was developed and enabled the synthesis of fully bio-based epoxy networks with promising thermomechanical properties.

Contrôler la gélification des résines époxy est un enjeu majeur de la chimie des matériaux thermodurcissables. Dans cette étude, nous décrivons une méthode de contrôle du temps de gel (tgel) et de la conversion au point de gel (xgel) dans le cas de la polymérisation cationique de résines époxy commerciales. Pour ce faire, des additifs hydroxylés sont utilisés comme agents de transfert afin de contrôler xgel. Parallèlement, des additifs de type oligo-oxyéthylène permettent de contrôler tgel en complexant les amorceurs de la polymérisation (cations aniliniums). La combinaison de ces deux leviers de contrôle permet d'explorer une large gamme de valeurs de tgel et de xgel. Lorsqu'un oligo-oxyéthylène cyclique (18-crown-6) est utilisé, les cations aniliniums sont stabilisés sur de très longues périodes grâce à de fortes interactions de type " clé-serrure ". En l'absence d'agent de transfert, une élévation modérée de la température est suffisante pour observer la dissociation du complexe aniliniumo18-crown-6 suivie d'un rapide amorçage de la polymérisation. Ce complexe est isolable et peut être utilisé comme un amorceur thermodéclenchable. En présence d'agent de transfert, une élévation de la température s'accompagne d'un long retard à la polymérisation (temps d'induction) suivi d'une rapide réticulation du matériel. La composition chimique du mélange initial permet de contrôler le temps d'induction. Ainsi, la réticulation du matériel devient programmable dans le temps, à la manière d'une minuterie. Cette chimie est ensuite appliquée à la copolymérisation de résines mono- et di-époxy afin de contrôler la densité de réticulation du matériel et donc ses propriétés mécaniques. / Controlling the pot life and the gelation of epoxy resins is a crucial issue in thermosets processing. In this study, we report about the control of the gel time (tgel) and the gel conversion (xgel) for the cationic polymerization of commercial epoxy resins. To this end, hydroxyl additives are used as chain transfer agent to control xgel. Concurrently, oligo(ethylene oxide) additives are used to vary tgel as a result of the supramolecular complexation of the anilinium cations responsible for the polymerization’s initiation. We show that the combination of these two control levers enables the exploration of a wide range of tgel and xgel values. When a cyclic oligo(ethylene oxide) (18-crown-6) is used, anilinium cations are stabilized on very long period as a result of strong host-guest interactions. In absence of transfer agent, a slight increase of temperature is enough to observe the dissociation of the anilinium•18-crown-6 complex and the fast initiation of polymerization. The anilinium•18-crown-6 complex can be isolated and used as a thermoresponsive initiator presenting a high apparent activation energy. When used in combination with hydroxyl additives, a temperature increase results in a long delay of polymerization followed by the rapid completion of the material’s reticulation. By varying the composition of the initial mixture it is possible to tailor the duration of the polymerization’s delay. Thus, the resulting system is programmable and exhibits a clock like behavior. This chemistry is then extended to the copolymerization of diepoxy and monoepoxy resins to control the crosslink’s density of the material and thus, the properties of the final networks.