Les élastomères à base d’Ethylène Propylène Diène Monomère (EPDM) sont utilisés dans les accessoires du réseau de distribution d’électricité sous-terrain pour assurer l’isolation des jonctions de câbles. En effet, la structure chimique de ce polymère est apolaire et induit donc l’hydrophobicité désirée pour cette application. Cependant, en conditions de service, la thermo-oxydation provoque l’incorporation d’atomes d’oxygène (formation de fonctions hydrophiles) aux chaines EPDM. Ainsi, l’objectif de cette thèse était d’étudier l’influence du vieillissement thermo-oxydant sur les propriétés de transport d’eau dans les accessoires en EPDM. Trois formulations d’EPDM sans charges (une réticulée au peroxyde et deux autres réticulées au soufre) ainsi que six formulations industrielles (toutes réticulées au soufre) ont subi un vieillissement thermique accéléré en étuve ventilée d’air entre 90 et 190°C. L’analyse multi-échelle (combinant plusieurs techniques expérimentales) a permis de mettre en évidence les modifications structurales dans les matrices EPDM et d’établir des corrélations entre les propriétés physico-chimiques mesurées au cours du vieillissement. Les propriétés de transport d’eau ont ensuite été caractérisées entre 30 et 70°C et entre 10 et 100 % HR à l’état initial et pour différents états d’oxydation. Ces résultats ont permis d’établir des relations structure/propriété entre les propriétés de transport d’eau et l’incorporation d’oxygène, mais aussi de simuler l’influence cruciale des charges. / Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM) based elastomers are used in the accessories of the underground electrical distribution network for guaranteeing the insulation of cable junctions. Indeed, the chemical structure of this apolar polymer gives the desired hydrophobicity for this application. However, in service conditions, thermo-oxidation causes an incorporation of oxygen atoms (formation of hydrophilic function) into EPDM chains. Thus, this PhD thesis aimed at studying the influence of thermal oxidative ageing on the water transport properties into EPDM accessories. Three unfilled formulations (one peroxide crosslinked and two sulfur vulcanized) and six industrial formulations (all vulcanized) were submitted to an accelerated thermal ageing in air-ventilated ovens between 90 and 190 °C. The multi-scale analysis (combining several experimental techniques) allowed highlighting the structural changes in EPDM matrices and establishing correlations between the physico-chemical properties measured during ageing. Then, the water transport properties were characterized between 30 and 70 °C and between 10 and 100 %RH at the initial state and for different oxidation states. These results allowed establishing structure/property relationships between water transport properties and oxygen incorporation, but also to simulate the crucial influence of fillers.

Latex d’Hevea brasiliensis est composé principalement de particules de caoutchouc dont le noyau est constitué de cis-1,4-polyisoprène et la membrane de composés dit non-isoprène. Sa stabilité dans l'arbre est assurée par les charges négatives de la membrane en raison de la présence de protéines et de lipides. Le latex d’Hevea brasiliensis coagule après acidification pour former un gel colloïdal qui est la première étape de sa transformation en caoutchouc naturel.Dans cette thèse, nous avons étudié l’agrégation et la gélification induite par ajout d’un acide et les propriétés des gels obtenus. Pour cela, un latex de caoutchouc naturel commercial constitué par des particules de caoutchouc (1 µm de diamètre), a été utilisée. L'agrégation a été induite par l'hydrolyse d'un composé appelé glucano-delta-lactone (GDL). Cette agrégation a été suivie par différentes techniques basées sur la diffusion de la lumière (turbidimétrie, DWS, SLS). La gélification a été suivie in situ par la rhéologie. Ensuite, les propriétés rhéologiques de gels colloïdaux formés à pH 4 ont été caractérisées dans les régimes linéaires et non-linéaires.La dépendance à la fraction volumique et le pH de l'apparition de l'agrégation ont été observée. La non-redispersion des agrégats montre les interactions fortes entre les particules de caoutchouc. Trois comportements d’état différents (solution stable, la séparation de phase et gel) peuvent être prédits à partir d'un diagramme d’état fraction volumique-pH qui a été établi pendant 5 semaines. L'état de gel présente une structure fractale, caractérisé par une relation de loi de puissance entre le module élastique G' et la fraction volumique. Pour des fortes déformations, une réorganisation irréversible sous contrainte a abouti à un durcissement irréversible du matériau. Nous avons observé par rheo-ultrasound qu'au-dessus de 50% de déformation, une déstructuration homogène est produite dans le gel. / Natural rubber latex is mainly composed by rubber particles whose core is made of cis-1,4-polyisoprene and the shell of non-isoprene compounds. It stability in the tree is provided by the negative charge of the shell due to the presence of proteins and lipids. Natural rubber latex coagulates after acidification to form a colloidal gel that is the first step of its transformation into natural rubber.In this PhD thesis, we studied this acid-induced aggregation and gelation and the properties of the resulting gels. For this, a commercial natural rubber latex composed by rubber particles (1 µm in diameter), was used. Aggregation was induced by hydrolysis of a compound called glucano-delta-lactone (GDL). The aggregation was followed by different techniques based on light scattering (turbidimetry, DWS, SLS). Gelation was followed in situ by rheology. Then, the rheological properties of colloidal gels formed at pH 4 were characterized in the linear and non-linear regimes.Dependence to the volume fraction and the pH of the onset of aggregation was observed. The non-redispersion of aggregates proves the strong interactions between rubber particles. Three different state behaviors (stable solution, phase separation and gel) can be predicted from a state diagram pH-volume fraction that was established over 5 weeks. The gel state exhibits a fractal structure, characterized by a power law relationship between the elastic modulus G’ and the volume fraction. At high deformations, an irreversible reorganization under stress resulted in an irreversible strain hardening of the material. We observed by rheo-ultrasound that above 50% deformation, an homogenous destructuration occurred in the gel.

Les matériaux hybrides organique/inorganique présentent la possibilité de pouvoir réunir, au sein d'un même composé, les propriétés initiales des constituants organiques (solubilité, flexibilité) et inorganiques (propriétés électroniques, optiques, magnétiques) voire de posséder des propriétés nouvelles supérieures à la simple somme des propriétés initiales. Au cours des présents travaux, nous avons porté notre attention sur les relations structures-propriétés au sein d'halogénométallates hybrides incorporant des cations organiques du type alkylammonium fonctionnalisés. Au cours de la première partie, une étude des changements conformationnels à l'état solide de molécules organiques incorporées dans des composés hybrides a été réalisée. Nous avons pu montrer que ces changements s'accompagnent de transitions structurales, phénomènes mis en évidence par les variations des propriétés optiques non linéaires à l'état massif et sous forme de films minces. La deuxième partie concerne l'étude structurale et théorique d'interactions disulfure-disulfure et disulfure-iodure à l'état solide. Ce travail montre que ces interactions intermoléculaires sont faibles, et principalement d'origine orbitalaire. Elles pourraient néanmoins être responsables de l'obtention de certaines structures présentant des transitions de phases activées par la température. Enfin, nous avons souligné l'influence de la fonctionnalisation de cations organiques du type éthylammonium sur la géométrie de réseaux inorganiques pérovskites hybrides et dérivés. Limiter la gêne stérique du cation et les interactions à l'interface organique/inorganique permet de réduire le band-gap de ces composés.

La morphologie et les propriétés de sorption d'eau et d'éthanol de films extrudés minces de polyamide 6 ont été étudiées pour différentes conditions de mise en oeuvre (température de chill roll (TCR) de 50 et 125°C et taux d'étirage compris entre x et y). L'influence de l'ajout de faibles taux de nanocharges lamellaires (montmorillonite (MMT) ou phosphate de Zirconium (ZrP)) a également été évaluée. L'étirage n'a, dans la gamme étudiée, aucun effet sur la morphologie et les propriétés de sorption des films. Les films de PA6 préparés à une température de chill roll de 50°C présentent en revanche une proportion de phase cristalline g plus faible que les films préparés à une TCR de 125°C. L'épaisseur des lamelles cristallines y est plus fine et la mobilité des chaînes de la phase amorphe y est réduite. L'ajout de faibles taux de montmorillonite à une TCR de 50°C modifie significativement la mobilité des chaînes de la phase amorphe, les proportions des phases cristallines a et g et l'orientation des lamelles cristallines, contrairement à une TCR de 125°C où l'impact de la MMT n'a été observé qu'au niveau de l'orientation de la phase cristalline g. Les mécanismes de sorption de vapeur d'eau et d'éthanol ont été étudiés pour l'ensemble des films. Les isothermes de sorption ont été modélisées afin d'étudier plus particulièrement les phénomènes d'agrégation observés à haute activité. Une modélisation des courbes cinétiques a également été proposée sur la base de l'approche de Berens et Hopfenberg. La confrontation des données thermodynamiques et cinétiques de sorption et des paramètres morphologiques caractéristiques des matériaux a permis de conclure à un rôle prépondérant des interfaces entre zone amorphe et zone cristalline sur le transport

Dans un contexte de développement durable, de nouvelles architectures macromoléculaires biosourcées et aromatiques ont été synthétisées à partir de deux types de ressources renouvelables : des tanins, issus du bois, et des glycérides, issus de végétaux ou de microalgues, afin de développer des matériaux pour des applications dans le bâtiment. Dans un premier temps, la réaction d’alkoxylation a été étudiée sur les tanins. Des chaînes de polyéther glycol (propylène et butylène) ont été greffées sur des tanins issus de différentes espèces botaniques aboutissant à l’obtention de divers macropolyols. A partir de ces macropolyols, des polyuréthanes (PUs) ont été synthétisés en modulant les paramètres réactionnels dans le but de contrôler les propriétés finales des matériaux pour répondre à des cahiers des charges. Des membranes d’étanchéité en PUs et des mousses rigides uréthane-isocyanurates d’isolation ont été élaborées. Enfin de l’huile algale ainsi que de l’huile de colza (comme référence) ont été modifiées en époxydes et polyols. Ces nouveaux synthons ont ensuite été incorporés dans la formulation de mousses uréthane-isocyanurates en vue d’étudier l’impact du type et du nombre de fonctions réactives sur les propriétés finales de mousses rigides à cellules fermées. Ces études ont permis d’analyser l’effet de l’addition de nouveaux synthons biosourcés et renouvelables dans des architectures et matériaux polymères. Le grand potentiel des tanins et des glycérides algosourcés pour l’élaboration de nouveaux matériaux performants pour des applications en particulier dans le domaine du bâtiment, a pu être largement démontré. / In a context of sustainable development, new biobased and aromatic macromolecular architectures were synthesized from two types of renewable resources: tannins, extracted from wood, and glycerides derived from plant or from microalgae to develop innovative materials for building applications. Firstly, the alkoxylation reaction was performed on tannins. Polyether glycol (propylene or butylene) chains were grafted on tannins extracted from different botanical sources species, resulting in various macropolyols with various controlled macromolecular architectures. Based on these macropolyols, polyurethanes were synthesized by varying the reaction parameters to control the final properties of materials to fit specific requirements. PU proofing membranes and rigid urethane-isocyanurate foams for insulation were elaborated. Finally, algal oil and rapeseed oil (as reference) were modified in epoxides and polyols. These new building blocks were incorporated in the structure of urethane-isocyanurates foams to study the impact of the type and the number of reactive functions on the final properties of rigid foams.New renewable bio-based building blocks were developed and integrated in the final macromolecular architectures and materials. The great potential of tannins and glycerides from microalgae for developing high-performance materials, for building applications, especially waterproofing membranes and insulation foams has been clearly established.

La morphologie et les propriétés de sorption d’eau et d’éthanol de films extrudés minces de polyamide 6 ont été étudiées pour différentes conditions de mise en oeuvre (température de chill roll (TCR) de 50 et 125°C et taux d’étirage compris entre x et y). L’influence de l’ajout de faibles taux de nanocharges lamellaires (montmorillonite (MMT) ou phosphate de Zirconium (ZrP)) a également été évaluée. L’étirage n’a, dans la gamme étudiée, aucun effet sur la morphologie et les propriétés de sorption des films. Les films de PA6 préparés à une température de chill roll de 50°C présentent en revanche une proportion de phase cristalline g plus faible que les films préparés à une TCR de 125°C. L’épaisseur des lamelles cristallines y est plus fine et la mobilité des chaînes de la phase amorphe y est réduite. L’ajout de faibles taux de montmorillonite à une TCR de 50°C modifie significativement la mobilité des chaînes de la phase amorphe, les proportions des phases cristallines a et g et l’orientation des lamelles cristallines, contrairement à une TCR de 125°C où l’impact de la MMT n’a été observé qu’au niveau de l’orientation de la phase cristalline g. Les mécanismes de sorption de vapeur d’eau et d’éthanol ont été étudiés pour l’ensemble des films. Les isothermes de sorption ont été modélisées afin d’étudier plus particulièrement les phénomènes d’agrégation observés à haute activité. Une modélisation des courbes cinétiques a également été proposée sur la base de l’approche de Berens et Hopfenberg. La confrontation des données thermodynamiques et cinétiques de sorption et des paramètres morphologiques caractéristiques des matériaux a permis de conclure à un rôle prépondérant des interfaces entre zone amorphe et zone cristalline sur le transport / The morphology and water and ethanol sorption properties of thin films made of polyamide 6 were studied in relation to different transformation conditions, namely chill roll temperature (TCR) (50 and 125°C) and stretching ratio (between 6 and 10.8). The influence of nanofillers (montmorillonite (MMT) and zirconium phosphate (ZrP)) was also investigated. It was observed that stretching has no influence on neither the morphology nor the sorption properties in the studied range. In contrast unfilled films prepared at a chill roll temperature of 50°C have a lower amount of g crystalline phase, thinner cristalline lamellae and reduced amorphous phase mobility than films prepared at a chill roll temperature of 125°C. Adding low amounts of MMT at a TCR of 50°C has a remarkable impact on chain mobility, a and g crystalline phase fractions and lamellar orientation whereas the nanoparticules added at a TCR of 125°C only affect the crystalline orientation. Vapor sorption mechanisms were studied for both filled and unfilled films. The sorption isotherm curves were modelled to obtain a deeply understanding of the aggregation phenomena observed at high activity. Modelling of the kinetics was proposed according to Berens and Hopfenberg approach. Coupling the thermodynamics and kinetics of sorption with the morphological data leads to the conclusion that the interfaces between the amorphous and crystalline domains play a critical role on transport properties

Le PEI et le PEEK sont des thermoplastiques aromatiques haute performance. Il est envisagé de les utiliser comme matrice de structures composites en environnement de moteur d’avion. En conditions de service, ils seront soumis à des cycles hygrothermiques complexes consistant à des vieillissements thermo-oxydant jusqu’à 180 °C en continu et des vieillissements humide à 70 °C dans 85 % HR. Leur durabilité ayant fait l’objet de peu de travaux de recherche, l'objectif de cette thèse était d’étudier les effets isolés et combinés des vieillissements thermique et humide de ces deux matrices. Tout d’abord, des films minces de PEI et de PEEK ont été oxydés à différentes températures (entre 180 et 320 °C) et pressions partielles d’oxygène (entre 0,21 et 50 bars). Ils ont ensuite été caractérisés aux différentes échelles structurales pertinentes : moléculaire, macromoléculaire, morphologique et macroscopique. Cette caractérisation multi-techniques et multi-échelles a permis de déterminer leurs mécanismes de dégradation thermique. Ensuite, le vieillissement humide du PEI et du PEEK a été étudié entre 30 et 70 °C, entre 10 et 100 % HR, avant et après vieillissement thermique. A partir d’une compilation des données de la littérature pour une large variété de polymères contenant un seul type de groupe polaire dans l’unité monomère, des relations structure - propriété de transport de l'eau ont été établies. Elles confirment que l’hydrophilie et la diffusion d’eau résultent essentiellement d’interactions moléculaires entre les molécules d’eau et les groupes polaires de la matrice polymère. Enfin, un modèle cinétique de thermo-oxydation a été établi pour les matrices PEI et PEEK et a été interfacé avec les relations structure – propriété de transport d’eau. Il permet de simuler l’ensemble des données expérimentales accumulées dans ce travail de thèse. / PEI and PEEK are high performance aromatic thermoplastics. They are planned to be used as matrices of composite materials in aircraft engine environment. In service conditions, they will be subjected to complex hygrothermal cycles consisting in a series of thermo-oxidative agings up to 180 °C and humid agings at 70 °C in 85 % RH. As their durability has been little studied in the literature, the aim of this PhD thesis is to study the separated and combined effects of thermal and humid agings of these two matrices. At first, thin PEI and PEEK films have been oxidised at different temperatures (between 180 and 320 °C) and oxygen partial pressures (between 0.21 and 50 bars). There have been then characterized at different structural scales: molecular, macromolecular, morphological and macroscopic. This multi-technique and multi-scale characterization has enabled the determination of their thermal degradation mechanisms. Then, the humid aging of PEI and PEEK has been studied between 30 and 70 °C and between 10 and 100 % RH, before and after thermal aging. From a literature compilation of data for a large variety of polymers containing a single type of polar group in their monomer unit, structure – water transport property relationships have been established. They confirm that hydrophilicity and water diffusion result essentially from the molecular interactions between water molecules and polar groups in polymer matrices. Finally, a thermos-oxidation kinetic model has been established for PEI and PEEK matrices and has been juxtaposed with the structure – water transport property relationships. It enables to simulate all the experimental data obtained in this PhD work.

Les propriétés macroscopiques d'un polymère peuvent être modifiées en y dispersant de petites particules inorganiques: on forme alors un composite. Récemment, une attention particulière a été portée à la réduction de la taille de ces particules vers une taille nanométrique, afin d'augmenter la surface de contact et d'amplifier les effets sur les propriétés macroscopiques du composite. Nous avons mis au point un système modèle dans lequel les charges sont des nano-billes de silice greffées de polystyrène, dispersées dans une matrice de polystyrène. Le greffage des particules est réalisé en solution colloïdale, par polymérisation contrôlée aux nitroxydes (NMP) selon une technique " grafting from ". La dispersion des particules dans la matrice va dépendre du rapport des masses de polymère greffé et libre (matriciel). Deux types de dispersion ont ainsi été observés, par des mesures complémentaires de DXPA et de MET: lorsque la masse de la matrice est suffisament proche de celle des chaînes greffées, les nanoparticules de silice sont réparties individuellement de manière homogène dans le film. A l'inverse, lorsque la masse de la matrice devient trop grande par rapport à la masse greffée, les particules se regroupent en agrégats denses. Grâce à la synthèse d'une matrice spécifique copolymère styrène H/D dont la densité de longueur de diffusion égale celle de la silice, nous avons pu réaliser une première mesure directe de la conformation de la couronne greffée dans le film, en utilisant la DNPA. La dispersion de la silice et la conformation de la couronne ont ensuite été étudiées sur des films étirés de manière uniaxiale, afin d'observer leur évolution sous déformation. Les matériaux synthétisés ont enfin été soumis à différentes sollicitations mécaniques (grandes et petites déformations), dont les réponses peuvent être corrélées à la structure locale des charges et des chaînes de polymère.

Dans un contexte du développement durable, de nouvelles architectures macromoléculaires biosourcées ont été synthétisées à partir de synthons (diacides et diols) pouvant être obtenus par voies fermentaires à partir de sources carbonées issues de la biomasse. Dans un premier temps, différents copolyesters aliphatiques ont été synthétisés en masse, à l’aide d’un catalyseur organométallique à base de titane, à partir de diacides (acides succinique et adipique) et de diols (1,3-propanediol, 1,4-butanediol et 2,3-butanediol) courts. Dans un deuxième temps, des architectures macromoléculaires similaires ont été obtenues par catalyse enzymatique en solution à l’aide de la lipase B de Candida antarctica. L’influence de la longueur et de la structure des monomères sur leur réactivité en présence de la lipase a été particulièrement étudiée. Dans un troisième et dernier temps, des architectures macromoléculaires à base d’oligomères hydroxytéléchéliques d’un polyester bactérien : le poly((R)-3-hydroxybutyrate) (PHB)tels que des poly(ester-éther-uréthane)s et des copolyesters ont été obtenues soit par couplage de chaîne à l’aide d’un diisocyanate, ou par transestérification organométallique et enzymatique. Ces études ont permis d’analyser en détail l’effet de l’addition des synthons biosourcés dans les architectures macromoléculaires et notamment sur la structure cristalline, la stabilité thermique et les propriétés thermiques et optiques de ces polymères. De plus, le grand potentiel de la catalyse enzymatique pour la synthèse de polyesters et celui de l’utilisation d’oligomères de PHB pour l’élaboration de nouveaux matériaux performants ont pu être largement démontrés. / In the context of sustainable development, new biobased and aliphatic macromolecular architectures were synthesized from building blocks that can be obtained by fermentation routes using carbon sources from the biomass. First, several aliphatic copolyesters were synthesized in bulk from short dicarboxylic acids (such as succinic and adipic acids) and diols (such as 1,3-propanediol, 1,4-butanediol and 2,3-butanediol) by organometallic catalysis using an effective titanium-based catalyst. In a second time, similar macromolecular architectures were synthesized by an enzymatic process in solution using Candida antarctica lipase B as catalyst. The influence of the alkyl chain length and the structure of monomers on their reactivity toward the lipase were particularly discussed. In the third and last part, new macromolecular architectures based on hydroxytelechelic oligomers of a bacterial polyester: poly((R)-3-hydroxybutyrate) (PHB), such as poly(ester-ether-urethane)s and copolyesters, were obtained by either chain-coupling using a diisocyanate, or organometallic and enzymatic transesterification, respectively.These studies permitted to determine a close relationship between the effect of the building blocks structure integrated in the final macromolecular architectures and the intrinsic properties, such as the crystalline structure, the thermal stability and the thermal and optical properties, of these polymers. In addition, the great potential of the lipase-catalyzed synthesis of polyesters and the use of PHB oligomers for developing new high performance materials has been clearly established.