Malgré l'intérêt croissant que représente dans le domaine de l'emballage alimentaire la conception raisonnée de structures composites aux propriétés de transfert contrôlées, la compréhension des transferts de gaz et de vapeurs avec l'ajout de particules dans des polymères reste complexe. En vue d'apporter un nouvel éclairage à ce verrou scientifique, les travaux de thèse se sont focalisés sur les trois parties suivantes : - contribuer à une meilleure compréhension des transferts de matière dans les composites. Pour ce faire, une analyse exhaustive des données expérimentales de transfert de gaz et de vapeurs disponibles dans la littérature a été menée pour les nano- et micro-composites et une comparaison de ces données a été réalisée avec des modèles de tortuosité, basés sur des paramètres géométriques ; - comprendre et modéliser la perméabilité dans des composites avec deux phases perméables. Pour cela, les transferts de vapeur d'eau dans un composite (fibre de paille/bio-polyester) chargé avec des particules perméables ont été mesurés et décrits en détail, et une comparaison de ces données avec des modèles analytiques issus d'autres champs disciplinaires, prenant en compte la perméabilité dans la particule et dans la matrice, a été menée. Cette étude a mis en avant le manque de modèles adaptés pour la prédiction de la perméabilité dans les composites contenant des particules perméables ; - développer une nouvelle approche multi-échelle pour la prédiction de la perméabilité dans des composites prenant en compte les propriétés de transfert dans les particules et dans la matrice polymérique avec une représentation 2D de la structure du composite. Afin d'atteindre un niveau satisfaisant de validation du modèle, la détermination des paramètres expérimentaux tels que la diffusion dans les particules doit être améliorée. Cette nouvelle approche de modélisation ouvre la voie à la création d'outils d'ingénierie inverse pour le design de structures composites, ajustés aux besoins des aliments en termes de propriétés barrières. / Despite the global growing interest in the food packaging field for the design of tailored composite structures with controlled mass transfer properties, the understanding of the modulation of the mass transfer properties with the incorporation of particles in polymer still remains very complex. In order to throw light on this scientific problem, the thesis work was focused on the following parts: - providing a better understanding of mass transfer in composites. In this purpose an analysis of all experimental gas and vapour permeability data available in the literature has been carried out in nano- and micro- composites and a comparison of these data with predictions from tortuosity models based on few geometrical inputs has been achieved; - performing a detailed study of water vapour mass transfer in composites (wheat straw fibres/bio-polyester). These data were compared with the prediction of bi-phasic analytical models coming from other disciplinary fields. This part of the work has highlighted the lack of comprehensive and complete models for the prediction of permeability in composite with permeable particles; - developing of an innovative multi-scale approach for the prediction of mass transfer in bi-phasic composites considering both the particle and the polymer matrix properties with realistic 2D geometry of the composite structures has been proposed. For the sake of reaching a satisfactory validation level of the model, some experimental improvements are still needed to increase the accuracy of input parameters such as diffusivity of the particles.This new modelling approach open the way for the creation of a reverse-engineering toolbox for the design of tailor made composites structures, tightly adjusted to barrier properties requirements of the packed food.

Lors de la conservation des vins en bouteilles, des réactions d’oxydation prématurées peuvent se produire et les propriétés barrières à l’oxygène de l’obturateur en liège sont souvent mises en cause. À l’heure actuelle, aucune étude n’a permis de déterminer la structure interne du liège ou l’effet de l’hydratation sur ses propriétés mécaniques. Quant aux propriétés barrières à l’oxygène, l’étape limitante au transfert reste indéterminée ainsi que l’effet de la compression et le rôle de l’interface verre/liège. L’étude de la structure interne du liège par imagerie a permis de visualiser la macroporosité du matériau et de conclure que pour les qualités de liège étudiées, les lenticelles ne sont pas interconnectées. La caractérisation des propriétés mécaniques du liège a montré que le module de Young n’était pas affecté pour une humidité relative < 50 %. En milieu plus humide, ce dernier diminue à cause de la formation de clusters de molécules d’eau entre les chaines de polymères constituants les parois cellulaires. En comparant le comportement du liège brut avec celui d’autres obturateurs, un effet de la taille des particules de liège et du ratio liège/additifs utilisés dans ces obturateurs, a également été mis en évidence. Au regard du mécanisme de transfert de gaz, les mécanismes en jeu et en particulier l’étape limitante ont été clairement déterminés : il s’agit de la diffusion au travers des parois cellulaires selon la loi de Fick. L’effet de la compression du bouchon ne modifie pas significativement le transfert d’oxygène tandis que le rôle de l’interface verre/liège semble gouverner les transferts de gaz de l’extérieur vers l’intérieur de la bouteille. / During the post bottling aging, premature oxidation reactions could occur and the oxygen barrier properties of the stopper are often pointed out. Nowadays, the internal structure of this material or the effect of hydration on its mechanical properties are still undetermined. Moreover, regarding the barrier properties, the limiting step of the oxygen transfer was not yet fully understood as well as the effect of compression or the role of the glass/cork interface in a bottleneck. The study of the internal structure of cork stopper allowed us to visualize the macroporosity of the material and conclude that there is no interconnectivity between lenticels, for the two qualities studied. The effect of hydration on the mechanical properties of cork was also investigated. The results shown that the rigidity of the material was not significantly affected for relative humidity < 50 %. Above this hydration level, the Young’s moduli decrease due to clusters formation of water molecules. Comparing the natural cork behavior to other stoppers, an effect of the particle size and the ratio cork/additives used in these stoppers was also highlighted. Regarding the transport mechanism of gas through cork, the limiting step was clearly determined: it’s the diffusion through the cell wall according to a Fickian mechanism. The compression of the stopper does not have a significant impact on the effective diffusion coefficient of oxygen. However, the role of the glass/cork interface is really important and seems to govern the gas transfer from the surrounding atmosphere into the bottle.

Le sulfure d’hydrogène (H2S) est un gaz malodorant, dangereux, et responsable de la corrosion du béton dans les canalisations d’eaux usées. Ce dernier phénomène est très coûteux pour les collectivités. Le composé H2S est généré sous forme soluble dans les zones anaérobies des réseaux d’assainissement (biofilms, sédiments, zones stagnantes ou conduites forcées) et est ensuite émis dans l’atmosphère des canalisations sous forme gazeuse dans les conduites gravitaires. Des modèles sont nécessaires pour améliorer la conception et la gestion des systèmes de collecte des eaux usées. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de transfert d’H2S lors de l’écoulement gravitaire d’un liquide saturé en gaz dissous. Nous avons développé des techniques de mesure du coefficient de transfert à l’interface liquide-gaz pour le sulfure d’hydrogène et pour l’oxygène. L’influence des conditions hydrodynamiques (vitesse d’eau), aérauliques (vitesse d’air) et de la surface d’échange a été étudiée dans différentes géométries : une cuve agitée de 5 L et une canalisation de 10 mètres de longueur. Nous avons ainsi pu établir la forte influence de la vitesse d’eau sur le coefficient de transfert global. Cette approche expérimentale a été complétée par une approche de modélisation. En utilisant la mécanique des fluides numérique, nous avons essayé de comprendre l’évolution du coefficient de transfert à partir des fluctuations hydrodynamiques locales observées à proximité de l’interface liquide gaz. Les paramètres les plus pertinents pour expliquer les observations effectuées semblent être les grandeurs liées à la turbulence. L’application future de ce type de corrélation serait l’estimation et la prévision des zones d’émissions d’H2S. Ainsi serait-il possible d’identifier les points nécessitant une surveillance et une maintenance particulière. / Hydrogen sulfide (H2S) is a harmful and odorous compound which is also responsible for concrete corrosion in sewers. This phenomenon is costly for the communities. H2S is generated in anaerobic zones in sewer networks (biofilms, sediments, forced mains or stagnant zones), and released into the atmosphere under the form of H2S(g) in gravity pipes. Knowledge-based models are needed to improve the design and the management of wastewater collection systems. The objective of this PhD work is to better understand the mass transfer mechanisms of a water flow saturated in H2S when the flow becomes free. We plan to develop a technique to access the global mass transfer coefficient at the liquid- gas interface for H2S and O2. The effect of hydrodynamic, aeraulic conditions and the liquid-gas surface area on the transfer coefficient were studied in different geometries: small batch reactor of 5L and 10 meter sewer pipe device. A strong influence of the flow velocity on the global transfer coefficient was observed. This experimental approach was completed with a numerical approach. The use of computational fluid dynamics permitted to understand the behavior of transfer coefficient from local hydrodynamics fluctuations observed near the liquid/gas interface. The direct application of this kind of correlation would be the estimation of the transfer fluxes and the localization of hazardous areas for H2S concentration. Consequently it could be possible to identify the sensitive zones requiring a follow-up of the system or a strengthening of the structures.