Le but de cette thèse est d'évaluer le rôle de la solvatation des PCP (copolymère greffé utilisé en tant qu'additif du béton) sur la fluidité et la viscosité des bétons. Pour répondre à cette problématique, des copolymères greffés différant par la nature chimique des chaînes latérales sont synthétisés. L'état de solvatation des PCP est évalué à l'aide du paramètre de Flory-Huggins χ. Ce dernier est calculé à partir du 2nd coefficient du viriel A2, déterminé par diffusion de la lumière. Des valeurs du paramètre χ de 0,37 ; 0,43 ; 0,47 et 0,48 ont été obtenues pour des PCP comportant des chaînes latérales à base d'éthylène glycol (EG), de 2-méthyloxazoline (MOx), de N-vinylpyrrolidone (NVP) et de N-acryloylmorpholine (NAM), respectivement. Le pouvoir couvrant des PCP et leur épaisseur de couche peuvent être calculés par l'intermédiaire d'une formule proposée par Flatt. L'introduction des PCP à différents dosages (donc différents taux de recouvrement) à des suspensions de calcite a permis de montrer qu'à même taux de recouvrement de surface, tous les PCP induisaient la même fluidité, alors que l'épaisseur de couche de PCP diffère de plus de 50% dans les cas les plus extrêmes. Le taux de recouvrement de surface joue un rôle tout aussi important en ce qui concerne la viscosité des suspensions. Appliquer ces conclusions sur un mortier s'avère délicat car les PCP pourraient entrainer des retards d'hydratation différents en fonction de la nature des chaînes latérales / The objective of this PhD work is the evaluation of the role of the solvation of PCP (grafted copolymer used in concrete as additive) on the concrete fluidity and viscosity. Grafted copolymers with different side-chains were synthesized. The solvation state of the PCP was estimated by mean of the χ Flory-Huggins parameter. The latter was calculated from the 2nd virial coefficient A2, itself determined by light scattering measurements. χ -parameter values of 0,37 ; 0,43 ; 0,47 and 0,48 are obtained for PCP respectively possessing ethylene glycol (EG), 2-methyloxazoline, N-vinylpyrrolidone and N-acryloylmorpholine-based side-chains. The surface coverage of the PCPs and their layer thickness can be calculated with Flatt’s formula. The introduction of the PCPs at different contents (therefore different surface coverage ratio) to calcite suspensions showed that at same surface coverage ratio, all PCPs induce the same fluidity, although the adsorbed PCP layer thickness differed up to 50% in the certain cases. The surface coverage played also a keyrole in the suspensions viscosity. The transposition of these results to a mortar seemed however risky since PCPs might lead to hydration delays depending on the chemical nature of the side-chains

Le polypropylène isotactique est un thermoplastique semi-cristallin de grande consommation présentant de nombreux avantages tels que sa résistance chimique, sa haute température de fusion ou sa rigidité. Néanmoins, sa faible résistance à l'état fondu le rend inadapté à certains procédés de mis en forme. La présence branchements longs au sein de la structure polymérique permet toutefois de renforcer significativement les propriétés d'un polymère dans son état fondu. De ce fait, de nombreuses approches ont été développées afin de générer du polypropylène branché (irradiation, addition de peroxides, greffages etc.). La catalyse de polymérisation par les métallocènes est d'une grande flexibilité dès qu'il s'agit de concevoir des polymères de spécialité. De plus, la rhéologie moléculaire est un outil indispensable à la compréhension des liens entre les propriétés viscoélastiques et la structure macroscopique des polymères (distribution des masses, topologie des branchements, etc.). Grâce à l'alliance de ces deux expertises, les travaux de cette thèse se sont focalisés sur la caractérisation structurelle, thermique et rhéologique de matériaux de type LCB-iPP obtenus par catalyse des zirconocènes {Cp'CR2Flu}ZrCl2. L'objectif premier était de jouer sur la génération des branchements longs en modifiant les conditions opératoires de polymérisation du propylène. En parallèle, un gros travail analytique a été fourni afin de développer des protocoles rhéologiques fiables et adaptés. Suite à ces résultats, nous avons démontré qu'un mécanisme via génération/incorporation de macro-α-oléfines était à l'origine de la génération de LCB-iPP, ce qui a permis la synthèse de polypropylènes hautement branchés et de vérifier l'effet positif des branchements longs sur le comportement viscoélastique des matériaux finaux. / Because of its high melting point, high tensile strength, stiffness and chemical resistance, isotactic polypropylene has one of the leading and fast growing thermoplastic polymers in the world. However, commercial PPs usually have relatively low melt strength, which limits their use in applications such as blow molding. Since long-chain branching (LCB) is known to enhance the melt properties of a polymer, several approaches have been developed to make branched polypropylenes (electron beam irradiation, peroxide curing, grafting etc.). Development of metallocene technology provides unprecedented flexibility in polymer design. Many structural features, including LCB, can now be introduced into polymers. In this work, long chain branched isotactic polypropylene (LCB-iPP) was synthesized using {Cp'CR2Flu}ZrCl2 metallocene catalyst and fully characterized (rheological, spectroscopic and thermal analysis). The branching (macro-α-olefins having predominantly vinyl-terminated chain end) was in situ generated and further incorporated by the same catalyst system to obtain LCB-PP/Linear PP blends. The LCB content was increased using a novel tandem catalysts system for converting propylene alone to isotactic polypropylene with long branches which exhibit enhanced melt properties.

Nous avons cherché à comprendre le comportement sous écoulement de suspensions colloïdales d'argiles naturelles. Les particules constitutives de ces argiles ont comme particularité d'être extrêmement anisotropes puisqu'elles se présentent (en moyenne) sous la forme de disques de 200 nm de diamètre pour une épaisseur de 1 nm. Ces matériaux présentent des propriétés mécaniques remarquables parmi lesquelles une forte rhéofluidification ainsi que l'apparition de seuils d'écoulement et ce, pour de très faibles fractions volumiques en particules (environ 1%). Afin de comprendre l'origine de ces propriétés mécaniques, nous avons mis en place un dispositif expérimental permettant d'effectuer simultanément des mesures de viscosité (en cellule de Couette cylindrique) et des mesures de diffusion de rayons-X aux petits angles. Le champ orientationnel de particules 2D très anisotropes en écoulement cisaillé a ainsi été mesuré. En l'absence de cisaillement, et dans la phase de liquide isotrope, les particules s'orientent librement et occupent statistiquement un volume équivalent à celui de la sphère de volume exclu englobant la particule. En appliquant un cisaillement croissant on confine les particules discoïdales, faisant passer progressivement le volume de fluide piégé dans le mouvement moyen des particules de la sphère de volume exclu à un ellipsoïde à double anisotropie. Connaissant le champ orientationnel des particules on peut alors, par le biais d'une relation viscosité - fraction volumique de type Quemada, reconstruire la rhéofluidification de ces suspensions en prenant en compte, non pas la fraction volumique en disques mais celle en ellipsoïdes de confinement / We focussed our interest on the flow behaviour of colloidal suspensions of natural swelling clays. Such systems are strongly anisotropic since the disk-shaped particles in suspensions display an average diameter around 200 nm with a thickness close to 1 nm. Under flow, and for very low volume fractions (around 1%), these materials display remarkable mechanical properties going from quasi-Newtonian liquid to yield stress gel. In order to understand the mechanisms leading to such macroscopic behaviour, we have set up an experimental device that enables us to perform simultaneously viscosity (in a cylindrical Couette cell) and small angles x-ray scattering measurements. Thanks to this Rheo-SAXS device, we measured the orientational field of strongly anisotropic bi-dimensional particles in shear flow. When no shear is applied (and in the isotropic liquid phase), the particles are randomly oriented and occupy statistically a volume equivalent to that of the sphere of excluded volume encompassing the particle. The stronger is the applied shear stress, the more confined are the disk-like particles and consequently the small amount of fluid trapped in the statistical motion of the particles decreases from that of the sphere of excluded volume to that of an oblate ellipsoid with double anisotropy. Thus, knowing the orientational field of the particles (measured by SAXS) and applying an effective approach as the one suggested by Quemada for hard spheres, we tried to rebuild the shear-thinning behaviour of these suspensions by taking the volume fraction in statistical ellipsoid instead of that of disk-shaped particles

L'argile est utilisée avec des polymères en solution dans de nombreuses applications telles que les boues de forage ou encore pour rendre les fibres textiles résistantes au feu. Du fait de la structure très particulière des particules d'argile, avec plusieurs échelles d'association de feuillets, les propriétés rhéologiques de dispersions d'argile dans des solutions de polymère dépendent fortement de l'histoire mécanique du matériau. Une étude de vieillissement des dispersions d'argile dans les solutions aqueuses de CMC a montré l'effet du temps, en particulier sur l'existence d'un seuil de contrainte et son évolution. Les mesures rhéologiques mettent en évidence des comportements de type « gel ». Ils résultent de la formation, au sein du fluide, de réseaux élastiques de nature différente selon la phase continue utilisée. Dans l'eau, les particules partiellement exfoliées s'associent entre elles selon des mécanismes qui dépendent du pH. Alors que dans la solution de polymère, il semble que des agrégats de particules soient connectés entre eux par l'intermédiaire des chaînes macromoléculaires. L'influence de la température et du pH sur les propriétés rhéologiques a été examinée. Plusieurs expériences indépendantes ont montré une évolution non monotone des caractéristiques mécaniques des fluides lorsque la température augmente. Ceci peut s'expliquer en invoquant un accroissement de la mobilité des chaînes favorisant l'ouverture des agrégats se dissociant en agrégats de plus petite taille. Le contrôle du pH quant à lui permet de modifier les interactions particule-particule et particule-polymère et, de ce fait, d'agir sur les propriétés mécaniques des gels formés. / The clay is used with polymer solutions in numerous applications such as drilling muds or to make textile fibers fireproof. Because of the very particular structure of the clay particles, with several scales of association of platelets, the rheological properties of clay dispersions in aqueous polymer solutions strongly depend on the mechanical history of the material. An ageing study of clay dispersion in aqueous CMC solutions showed the effect of time, in particular on the existence of a yield stress and its evolution. The rheological measurements display gel like behaviours. They are the result of formation, within the fluid, of different kind of networks, depending on the continuous phase. The partially exfoliated particles join together according to mechanisms which depend on the pH. While in the polymer solution, it seems that particle aggregates are connected through the macromolecular chains. The influence of the temperature and the pH on the rheological properties is studied. Several independent experiments show a non-monotonous evolution of the mechanical properties of the fluids as the temperature increases. It may be due to an increase of the mobility of the macromolecular chains favouring the dissociation of the particles aggregates. The control of the pH allows the particle-particle and particle-polymer interactions to be modified and to therefore act on the mechanical properties of the gels.

Depuis plus de 20 ans, de nombreuses méthodes et techniques non invasives ont été développées en vue de mesurer le plus objectivement possible, les propriétés (physico-chimiques, sensorielles, etc.) des produits cosmétiques. Ces méthodes visent à évaluer leur innocuité et leur efficacité, et deviennent d’autant plus perfectionnées que les processus d’élaborations de ces produits deviennent complexes et innovants.Au cours de ces travaux de thèse, une étude multi-échelle, de l'évolution structurale d'émulsions cosmétiques représentatives des crèmes mises sur le marché a été menée, afin de prédire leur stabilité tant texturale que microbiologique.L’étude du lien entre l’organisation structurale de ces émulsions avec leur composition et leur stabilité a été un des premiers défis à relever. Grâce à une technique non destructive ultrasonore permettant d’accéder aux propriétés micro-rhéologiques (propriétés viscoélastiques observée lors d'une sollicitation harmonique de cisaillement à quelques MHz), en association à différentes techniques classiques de caractérisation (microscopie optique, rhéologie basse fréquence, etc.) ; il a été possible de corréler les paramètres micro-rhéologiques obtenus à des modèles physiques reliant structuration interne et stabilité dans les émulsions considérées. Les résultats ont montrés que les données micro-rhéologiques sont sensibles aux variations de compositions (concentration) et d’organisations microscopiques des micelles au sein des émulsions (floculation, coalescence, etc.).Ensuite, le suivi de l’évolution d’une bactérie type (Pseudomonas fluorescens) dans des émulsions possédant des structures internes différentes, a montré d’une part la sensibilité de la micro-rhéologie vis-à-vis de la présence de bactéries dans le milieu, et d’autre part, l’impact de la structure et l’organisation des micelles sur le développement de ces bactéries.Finalement, la micro-rhéologie apparait être une méthode de mesure innovante et adaptée à l’échelle industrielle apportant une valeur ajoutée lors du développement de formulations cosmétiques. D’un point de vue sécuritaire, le dépistage précoce de contaminations biologiques par la détection d’instabilités (de changements) structurales au sein des émulsions, pourrait représenter une avancée majeure lors des phases de production et de commercialisation des produits cosmétiques. / In the last 20 years, many non-invasive methods and techniques have been developed in order to measure the properties (physicochemical, sensory, etc.) of cosmetic products. These methods are designed to evaluate their safety and effectiveness, and become even more sophisticated as the processes of developing these products become complex and innovative.During this thesis works, a multi-scale study of the structural evolution of cosmetic emulsions was conducted in order to predict their textural and microbiological stability.The study of the link between the structural organization of these emulsions with their composition and their stability was one of the first challenges. Thanks to an ultrasonic non-destructive technique allowing access to micro-rheological properties (viscoelastic properties observed during a harmonic loading of shear at a few MHz), in association with different classical characterization techniques (optical microscopy, low frequency rheology, etc. .); it was possible to correlate the micro-rheological parameters obtained with physical models linking internal structuring and stability in the emulsions considered. The results showed that micro-rheological data are sensitive to variations in compositions (concentration) and microscopic organization of micelles within emulsions (flocculation, coalescence, etc.).Then, the follow-up of the evolution of Pseudomonas fluorescens bacteria in emulsions with different internal structures showed on the one hand the sensitivity of micro-rheology towards the presence of bacteria in the cream, and on the other hand, the impact of the structure and organization of micelles on the development of these bacteria.Finally, micro-rheology appears to be an innovative measurement method adapted on an industrial scale providing added value when developing cosmetic formulations. From a safety point of view, the early detection of biological contaminations by the detection of structural instabilities (of changes) within emulsions could represent a major advance during the production and marketing phases of cosmetic products.

Le rhéoépaississement est un phénomène spectaculaire apparaissant dans certaines suspensions concentrées en particules. Il se manifeste par l’augmentation brutale de la viscosité de la suspension au delà d’une contrainte critique. L’exemple emblématique de suspension présentant ce type de comportement est le mélange d’amidon de maïs et d’eau. Le rhéoépaississement est longtemps resté une énigme, jusqu’à des travaux théoriques et numériques récents proposant un modèle microscopique cohérent. Selon celui-ci, le rhéoépaississement provient d’une transition frictionnelle due à la présence d’une force répulsive entre les grains. Au cours de ma thèse, j’ai réalisé une des premières démonstrations expérimentales directe de ce mécanisme. En m'inspirant de travaux venant du domaine des milieux granulaires, j'ai montré qu'en accord avec le modèle de transition frictionnelle, une suspension rhéoépaississante possède à faible pression granulaire un état non frottant. J'ai ensuite mis en évidence la transition en elle-même dans des suspensions contrôlées de billes de silice dans des solutions salines. Pour cela, j'ai dû développer de nouvelles méthodes de rhéologie à pression imposée. En effet, les rhéomètres standard ne permettent pas d'accéder aux propriétés de frottement des suspensions. Le seul rhéomètre qui le permet n'est pas adapté aux suspensions étudiées ici, qui sont constituées de particules colloïdales. Ce travail ouvre donc la voie au développement d’une nouvelle génération de rhéomètres permettant de mesurer le frottement dans les suspensions colloïdales, un enjeu majeur pour la rhéologie des fluides complexes. / Shear thickening is a spectacular phenomenon which takes place in some dense suspensions. It manifests itself by a brutal increase of the suspension's viscosity above a certain critical stress. The most iconic example of shear-thickening suspensions is cornstarch and water mixes. Shear thickening long remained a mystery, until recent theoretical and numerical works which proposed a consistent microscopic model. This model explains the shear thickening transition as a frictional one due to the presence of a repulsive force between the grains.During my PhD, I provided one of the first direct experimental proofs of this mechanism. Inspired by granular physics, I showed that shear-thickening suspensions possess a frictionless flowing state at low granular pressure, which is consistent with the proposed model. I then evidenced the frictional transition with controlled experiments using suspensions of silica beads in ionic solutions. To do this, I developed new rheological techniques enabling pressure imposed measurements. Indeed, standard rheological tools do not allow access to the frictional properties of suspensions. The only rheometer that does that is not adapted to the suspensions we study here, which are colloidal. This work thus paves the way for the development of a new generation of pressure imposed rheometers, giving access to colloidal suspensions friction, which is a major challenge in complex fluids rheology.

L'étude des fluides complexes présente un grand intérêt de par la richesse des phénomènes que font intervenir leur écoulement. Une étude de rhéologie locale de systèmes de micelles géantes en microcanal droit est effectuée. L'expérience montre que les propriétés du fluide soumis à un fort gradient de contrainte ne peuvent être décrites que par une équation rhéologique comportant des termes non locaux. Nous montrons alors l'influence du système de micelles géantes, du confinement ainsi que de la nature des surfaces du microcanal sur ces effets non locaux. Une étude des phénomènes temporels intervenant dans ces écoulements en microcanaux est alors proposée, ainsi qu'une étude préliminaire concernant les écoulements dans des milieux poreux modèles.

Dans le cadre de la diversification des sources énergétiques, les piles à combustible apparaissent comme une technologie prometteuse. La pile à combustible est un système électrochimique qui convertit l'énergie chimique d'une réaction d'oxydoréduction en énergie électrique, avec production simultanée d'eau et de chaleur. La membrane électrolyte polymère est l'un des verrous technologiques sur lesquels bute le développement des piles à combustible, avec des impératifs de performance, de longévité, de recyclage et de coût. Des études précédentes proposaient comme alternative au Nafion®, le matériau utilisé actuellement, des membranes à base d'un polyélectrolyte thermoplastique polyéthersulfone, associé éventuellement à une charge inorganique. L'objectif de ce travail était d'élaborer à partir de ce matériau des membranes par extrusion alors que les polymères fonctionnels de ce type sont généralement mis en forme par des techniques de coulée-évaporation polluantes, ce qui les rend difficilement transposables à l'échelle industrielle. L'extrusion, procédé largement utilisé dans l'industrie de transformation des matériaux, n'avait pas été utilisée jusqu'à présent pour la mise en forme de polymères ioniques porteurs de fonctions arylsulfoniques. Pour extruder ce type de polymère sans risque de dégradation, il a fallu vérifier l'adéquation entre le matériau et le procédé de mise en forme. Plusieurs types de polysulfones, commerciaux, sulfonés ou synthétisés par les partenaires du projet, ont été caractérisés d'un point de vue physico-chimique par la détermination des masses molaires, des transitions thermiques, et d'un point de vue rhéométrique sur une large gamme de températures et de gradients de cisaillement, de manière à connaître leur comportement en écoulement et prévoir les conditions d'extrusion. Des films ont été extrudés, leurs conductivités sont similaires à celles des membranes élaborées par coulée-évaporation et proches de celle du Nafion®. Par ailleurs, nous avons montré que l'incorporation d'une charge conductrice protonique permet de moins sulfoner le polysulfone pour un même niveau de conductivité, tout en maintenant un niveau de viscosité suffisamment faible pour permettre d'extruder ces matériaux composites. L'incorporation de charges de renfort a été également envisagée, l'extrusion de ces composites a été validée. Ce travail pourra être étendu à d'autres polymères conducteurs protoniques, comme les polyétheréthercétones et les polyétherimides, dont les membranes réalisées par coulée-évaporation ont déjà démontré leurs performances en pile à combustible.

La formulation d'émulsions de mélanges binaires d'alcanes permet d'obtenir un système ayant une phénoménologie proche des émulsions laitières de triglycérides. Il est ainsi possible, à partir de ces émulsions, de former un gel et de reproduire le phénomène de barattage, c'est-à-dire de fabriquer, sous contrainte mécanique, ce que l'on pourrait appeler un « beurre d'alcanes ». La phase dispersée comporte deux alcanes, dont l'un des deux est cristallisé à la température d'étude. Le réseau cristallin à l'intérieur des gouttes crée des protubérances à leur surface, qui induisent la gélification du système par deux mécanismes distincts : le jamming, qui est un blocage du système, dû à la rugosité de surface, et sans rupture des films interfaciaux, et la coalescence partielle, qui correspond à la fusion partielle des gouttes sans relaxation de forme, grâce à la rigidité mécanique qu'apporte le réseau cristallin. Il est possible de modifier l'élasticité de ces gels en faisant varier le taux de solide, la taille des gouttes, ou encore la vitesse de refroidissement. En effet, ces trois paramètres influencent la taille et la morphologie des cristaux, qui peuvent ainsi passer d'une forme plaquettaire à une forme en aiguille. L'application de fortes déformations, en cisaillement ou en compression, entraîne la fragmentation des gels dans certains cas, mais aussi la formation de nouvelles connexions entre gouttes dans d'autres cas. La formation de nouveaux liens peut alors entraîner l'apparition de grains macroscopiques, appelés « grains de barattage », ou bien provoquer la séparation entre l'huile et la phase continue aqueuse, s'il n'y a pas assez de cristaux dans les gouttes d'huile.

Les travaux e