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Les polymères fluorés sont des macromolécules intéressantes qui, en raison de leurs propriétés uniques, sont souvent utilisées dans des applications spéciales dans les industries du bâtiment, de l'aérospatiale, du génie chimique, du traitement des textiles, optiques et de la microélectronique. Cette thèse se concentre sur le développement de polymères fluorés fonctionnels à base de phosphore et de silane par la co/terpolymérisation radicalaire conventionnelle de monomères fonctionnels avec le fluorure de vinylidène (VDF). Ces monomères fonctionnels ont été préparés à partir de la modification de l'acide 2- (trifluorométhyl) acrylique (MAF) pour préparer des MAF-ester avec le groupement fonctionnel souhaité. Tout d'abord, une étude fondamentale concernant la cinétique de polymérisation du VDF avec MAF-TBE a montré que ces paires de monomères ont une tendance à se propager de manière croisée, ce qui donne des copolymères alternés. On a ensuite préparé du MAF avec une fonction phosphonate (MAF-DMP) et sa copolymérisation avec du VDF a permis d'obtenir du PVDF à fonctionnalité phosphonate qui, après l'hydrolyse consécutive du groupe phosphonate en acide phosphonique, avait des propriétés anticorrosion sur l'acier. De façon similaire, un monomère de MAF porteur une fonction carbonate cyclique (MAF-cyCB) a également été copolymérisé avec du VDF. Les groupes carbonate cycliques dans le copolymère de PVDF obtenu ont ensuite été ouverts par 1'aminopropyltriéthoxysilane pour introduire un groupe silane, qui, par son hydrolyse, a permis au copolymère d'adhérer fortement sur les substrats. Enfin, un terpolymère à base de PVDF fonctionnel porteur à la fois un groupe phosphonate et un groupe triéthoxysilane a été préparé. Le groupe silane a ensuite été hydrolyse et réticulé pour obtenir un réseau 3D de polymères. Enfin, l'hydrolyse du groupe phosphonate en acide phosphonique a conduit à une matière pouvant être utilisée dans l'extraction des ions Eu (III) de l'eau. / Fluorinated polymers are intresting macromolecules which due to their unique properties are often used in special applications in building industries, aerospace, chemical engineering, optics, textile treatment and microelectronics. This thesis focusses on the development of phosphorous and silane functional fluorinated polymers through the conventional radical co/terpolymerization of functional monomers with vinylidene difluoride (VDF). These functional monomers were prepared from the modification of 2-(Trifluoromethyl)acrylic acid (MAF) to prepare MAF-esters with the desired functional group. First a fundamental study regarding the kinetics of polymerization of VDF with MAF-TBE revealed that these monomer pair tends to cross propagate resulting in an alternating copolymer. Phosphonate functional MAF (MAF-DMP) was then prepared and its copolymerization with VDF led to phophonate functional PVDF, that after the consequent hydrolysis of the phosphonate group into phosphonic acid showed anticorrosion properties to steel. Following the same concept, a cyclic carbonate functional MAF monomer (MAF-cyCB) was also copolymerized with VDF. The cyclic carbonate groups in the obtained PVDF copolymer was then opened by aminopropyltriethoxysilane to introduce a silane group, that by its hydrolysis allowed the copolymer to adhere strongly onto substrates. Finally, a terpolymer based on PVDF functional with both a phosphonate and a triethoxysilane group is prepared. The silane group was then hydrolyzed and crosslinked to obtain a 3D network of polymers. Finally, the hydrolysis of the phosphonate group into phosphonic acid led to material that can be employed in Eu(III) ion extraction from water.

This thesis focuses on the development of new compounds or new processes that are more environmentally friendly and economical than those currently in use. The decomposition of hydrazine, a well established liquid rocket fuel for both the aerospace and defense industries, to the product ammonia is studied. Control of this reaction will allow hydrazine to be used as a propellant for both chemical and electric propulsion. From this a dual stage thruster will be developed that will be more efficient than current systems decreasing the amount of propellant needed and allowing for either a larger mission payload or a longer duration of individual missions. Hydrazine, while beneficial and well established, is also highly toxic, so other work in this thesis focuses on the synthesis of the novel molecule 1,1-dimethyl-2-[2-azidoethyl]hydrazine or DMAEH and its hydrazone intermediate 1,1-dimethyl-2-[2-azidoethyl]hydrazone or De-DMAEH as less toxic hydrazine replacements. Novel "switchable" ionic liquids have been investigated in this research. These are solvents that can change from molecular liquids to ionic liquids and back, simply with the addition or removal of CO₂ from the system. They can be used for a variety of applications, including as solvents for a reaction and separation system. Due to the recyclable nature of these solvents, waste is decreased making their development and implementation both environmentally and economically beneficial. Finally, the grafting reaction of vinyl silanes onto a hydrocarbon backbone is investigated. Fundamental work is being performed to study the graft distribution, selectivity and mechanism by which this reaction occurs. A more thorough understanding of how this reaction proceeds will allow for the development of a more efficient industrial process.

Cross-linked polyethylene has higher upper use temperature than normal polyethylene and is used as an insulating material for electricity carrying cables and hot water pipes. The most common method of inducing crosslinks is by reaction with silanes. After incorporation of silanes into polyethylene and upon hydrolysis with ambient moisture or with hot water, Si-O-Si crosslinks are formed between the various linear polyethylene chains. Industrially, this reaction is performed routinely. However, the efficiency of this reaction with respect to the silane is low and control of product distribution is difficult. A precise fundamental understanding is necessary to be able to manipulate the reactions and thus, allow for the facile processing of the polymers. Hydrocarbon models of polymers - heptane, dodecane - are being used to study this reaction in the laboratory. For the reaction, vinyltrimethoxysilane is used as the grafting agent along with di-tert-butyl peroxide as the radical initiator. MALDI, a mass spectrometric technique is used for the analysis of the product distribution after work-up. Advanced NMR techniques (COSY, HSQC, DEPT, APT, HMBC) are being conducted on the grafted hydrocarbon compounds to gain an in-depth understanding of the mechanism and regiochemistry of the grafting reaction. Scalable and cost effective methods to capture CO2 are important to counterbalance some of the global impact of the combustion of fossil fuels on climate change. The main options available now include absorption, adsorption and membrane technology. Amines, especially monoethanolamine, have been the most commercialized technology. However, it is not without disadvantages. House et al have investigated the energy penalty involved in the post-combustion CO2 capture and storage from coal-fired power plants and found that 15-20% reduction in the overall electricity usage is necessary to offset the penalty from capturing and storing 80% of United States coal fleet's CO2 emssions1. Novel non-aqueous amine solvents, developed by the Eckert Liotta group, react with CO2 to form ionic liquids. The ionic liquids readily desorb CO2 upon heating, regenerating the reactive amines and this cycle can be carried out multiple times. An iterative procedure is being adopted to develop amine solvents for CO2 capture. Thermodynamic information like reversal temperature and boiling point of the solvents are collected; they are then used to formulate structure property relationships which allow for new molecules to be engineered. On reaction with CO2, there is a sharp increase in viscosity which is unfavorable from a processing standpoint. Many approaches to mitigate and control viscosity are being studied as well. 1House et al, Energy Environ Sci, 2009, 2, 193-205

La technologie lithium-ion est largement utilisée pour le stockage de l’énergie électrique. Le graphite, fréquemment utilisé comme matériau d’anode, peut être avantageusement remplacé par des nanomatériaux hybrides, alliant la forte densité d’énergie du silicium aux nanotubes de carbone qui possèdent des propriétés électriques et mécaniques remarquables. Le procédé de Dépôt Chimique à partir d’une phase Vapeur (CVD) en lit fluidisé est particulièrement performant pour revêtir de façon uniforme des poudres, y compris des micro- et nano-poudres, par des matériaux divers. Des expériences de dépôt de silicium par CVD en lit fluidisé à partir de silane SiH4 ont été menées sur des nanotubes de carbone multiparois enchevêtrés en pelotes de 450 µm de diamètre médian (ARKEMA Graphistrength C100), couvrant la gamme de 10 à 70 % en masse de silicium déposé. Le silicium est déposé uniformément du bord jusqu’au cœur des pelotes, sous forme de nanoparticules réparties régulièrement sur les nanotubes, et dont la taille augmente avec la durée du dépôt. L’étude du comportement hydrodynamique du lit fluidisé révèle que les nanotubes de carbone fluidisent de façon homogène et avec une forte expansion, pour des vitesse de gaz modérées. Ainsi, les transferts de matière entre la phase solide et la phase gaz durant la fluidisation sont très élevés. Enfin, la capacité de cyclage charge-décharge des électrodes nanotubes de carbone - nanoparticules de silicium a été vérifiée en demi-pile au lithium. / Lithium-ion technology is widely used for electrical energy storage. Graphite, frequently used as anode material, could be usefully replaced by hybrid nanomaterials adding the great energy density of silicon to carbon nanotubes, who have remarkable electrical and mechanical properties. The Chemical Vapor Deposition (CVD) in fluidized bed process is specially performant in uniformly coating powders, including micro and nano powders, with various materials. Fluidized bed CVD of silicon experiments, from silane SiH4, have been conducted on multiwalled carbon nanotubes, entangled in pellets, 450 µm in median diameter (ARKEMA Graphistrength C100), covering a range from 10 to 70 % in total mass of deposited silicon. Silicon is uniformly deposited from shell to core of the pellets, forming nanoparticules regularly deposited on nanotubes and size-dependant to the CVD run duration. The study of hydrodynamic behavior of fluidized bed shows that carbon nanotubes fluidize homogeneously and with a wide expansion, for moderated gas velocity. Thus, mass transport between solid and gas phase during the fluidization are very high. Finally, the charge-discharge cycling capacity of carbon nanotubes - silicon nanoparticles electrodes has been checked in lithium half-cell.

Nous avons imaginé et développé une méthode pour la préparation d’hydrogels par procédé sol-gel à partir de blocs hybrides (bio)organiques-inorganiques. Les blocs hybrides sont obtenus par introduction de groupements silylés, triéthoxysilanes ou hydroxydiméthylsilanes, sur des polymères synthétiques ou des molécules d’intérêt biologique telles que des peptides. Ces blocs hybrides peuvent être combinés dans des proportions choisies pour former des hydrogels multifonctionnels. Le procédé de gélification se déroule à 37°C à pH 7.4 dans un tampon physiologique. L’hydrolyse et la condensation des précurseurs silylés conduit à la formation d’un réseau tridimensionnel covalent dans lequel les entités organiques sont reliées par des liaisons siloxanes. Dans un premier temps, cette méthode a été appliquée à la synthèse d’hydrogels à base de PEG. Nous avons ensuite montré que ces hydrogels pouvaient être fonctionnalisés de façon covalente par des entités bioactives au cours de leur préparation. Des hydrogels possédant des propriétés antibactériennes ou favorisant l’adhésion cellulaire ont ainsi été préparés. Dans un deuxième temps, un peptide hybride inspiré du collagène naturel a été synthétisé et a permis l’obtention d’hydrogels qui présentent des propriétés de prolifération cellulaire similaires à celles observées sur des substrats de collagène naturel. La biocompatibilité du procédé sol-gel a été démontrée par l’encapsulation de cellules souches dans l’hydrogel au cours de sa formation. Enfin, l’impression 3D d’hydrogels hybrides a été réalisée. Ce travail de thèse met donc en lumière le potentiel de la chimie sol-gel pour la conception à façon de matériaux biomimétiques particulièrement prometteurs pour des applications en ingénierie tissulaire. / We designed and developed a method for the preparation of hydrogels through the sol-gel process. It is based on (bio)organic-inorganic hybrid blocks obtained by functionalization of synthetic polymers or bioactive molecules, such as peptides, with silyl groups (triethoxysilanes or hydroxydimethylsilanes). These hybrid blocks can be combined in desired ratio and engaged in the sol-gel process to yield multifunctional hydrogels. Gelation proceeds at 37°C at pH 7.4 in a physiological buffer. Hydrolysis and condensation of silylated precursors result in a three-dimensional covalent network in which molecules are linked through siloxane bonds. First, this method was applied to the synthesis of PEG-based hydrogels. Then, we demonstrated that hydrogels could be covalently functionalized during their formation. Thus, hydrogels exhibiting antibacterial properties or promoting cell adhesion were obtained. Secondly, a hybrid peptide whose sequence was inspired from natural collagen was synthesized and used to prepare hydrogels that provided a cell-friendly environment comparable to natural collagen substrates. Stem cells could be encapsulated in these hydrogels with high viability. Finally, hybrid hydrogels were used as bio-inks to print 3D scaffolds. This PhD work highlights the potential of the sol-gel chemistry for the design of tailor-made biomimetic scaffolds that could be particularly promising for tissue engineering applications.

Cette thèse porte sur la modélisation de la dynamique des nanoparticules de silicium dans les plasmas de silane à couplage capacitif pour applications photovoltaïques.Une dérivation complète des équations fluides pour un plasma bi-température réactif polyatomique a été effectuée dans le cadre de la théorie cinétique des gaz. A partir d'une analyse asymptotique de l'équation de Boltzmann, la méthode de Chapman-Enskog a permis d'obtenir les équations d'ordre zéro en le nombre de Knudsen, qui correspondent au régime "Euler", et les équations d'ordre un qui correspondent au régime "Navier-Stokes-Fourier". La méthode fournit également une expression des flux de transport en termes des gradients des variables macroscopiques, ainsi que les coefficients de transports associés.Le modèle de plasma fluide multi-espèces ainsi dérivé a été simplifié et implémenté numériquement en vue de modéliser un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma utilisé pour le dépôt de couches minces de silicium. Un logiciel a été écrit en FORTRAN et validé numériquement à l'aide d'un "benchmark" issu de la littérature. Il a ensuite été mis en oeuvre dans les conditions typiques de l'épitaxie par plasma basse température. Les densités des principales espèces sont en accord avec les données expérimentales de la littérature. L'influence de la chimie du silane sur la tension d'auto-polarisation a également été étudiée, grâce à l'utilisation de formes d'ondes asymétriques sur mesure.Le modèle a ensuite été enrichi à l'aide d'un modèle sectionnel en taille et en charges pour les nanoparticules. La comparaison avec les résultats expérimentaux existants a permis d'estimer le coefficient d’accommodation du silane sur les nanoparticules. Les résultats obtenus confirment le rôle prépondérant des ions positifs dans le processus de dépôt.Le modèle développé dans cette thèse ouvre ainsi la voie à une étude systématique de l’évolution du plasma en fonction des conditions de dépôt et de l'influence des nanoparticules sur les propriétés physico-chimiques du plasma. / This thesis addresses the modeling of silicon nanoparticle dynamics in radio-frequency capacitively-coupled silane plasma discharges for photovoltaic applications.A complete derivation of fluid equations for a two-temperature reactive polyatomic plasma has been achieved in the framework of the kinetic theory of gases. From an asymptotic analysis of the Boltzmann equation, the Chapman-Enskog method was applied to derive the zeroth-order “Euler-type” equations and the first-order “Navier-Stokes-type” equations. Expressions for transport fluxes have been obtained in terms of the macroscopic variables gradients, and associated transport coefficients have been derived.The multicomponent fluid plasma model thus derived has been simplified and implemented numerically in order to model a plasma enhanced chemical vapor deposition reactor as used for silicon thin films deposition. A software has been written in FORTRAN and validated against a benchmark model from the literature. The plasma model has then been applied to typical conditions for low temperature plasma enhanced silicon epitaxy. The main plasma species densities are in good agreement with existing experimental data. The influence of silane plasma chemistry on the DC bias voltage has also been investigated using “tailored voltage” asymmetric waveforms.The model has then been enriched with a sectional model accounting for size and charge of nanoparticles. An estimation of the accommodation coefficient of silane on nanoparticles was obtained from a comparison with existing experimental results. Results of the simulations confirm the critical role of positive ions in the deposition process.The model implemented in this work opens the path for a systematic study of the evolution of the plasma properties as a function of the process conditions and of the influence of nanoparticles on the plasma physicochemical properties.

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The rate constant for the reactions of oxygen atoms with nitric oxide and silane were determined using a discharge flow apparatus. A microwave discharge through O2N2 and Ar was used to produce oxygen atoms. The rate constant for the reaction O + NO + Ar was determined to be (7.0+0.4) x 10^32 cm^6 s^-1 and is in good agreement with previous measurements. Modeling of the O +SiH₄ reaction was performed to determine the correction to the rate constant due to secondary reactions. The rate constant for the reaction O + SiH₄ was determined to be (3.3 +/- 0.3) x 10⁻¹³ cm³ s⁻¹ and is in good agreement with previous measurements. Previous literature, thermochemistry, and spin conservation were used to determine a probable mechanism for the O + SiH₄ reaction.

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