Résumé: Le développement de l’industrie des polymères fourni de plus en plus de choix pour la formulation de matériaux pour les couvre-planchers. Les caoutchoucs, le PVC et le linoleum sont les polymères habituellement utilisés dans l’industrie des couvre-planchers. Ce projet répond à un problème de facilité de nettoyage des couvre-planchers de caoutchouc qui sont reconnus pour être mous, collants et ayant une surface rugueuse. L’INTRODUCTION couvrira l’état actuel de la recherche sur les couvre-planchers, surtout en regard au problème de la «nettoyabilité». La théorie pertinente et les informations générales sur les polymères, les composites polymériques et la science des surfaces seront introduites au CHAPITRE 1. Ensuite, le CHAPITRE 2 couvrira la méthode utilisée pour déterminer la nettoyabilité, l’évaluation des résultats ainsi que l’équipement utilise. Le CHAPITRE 3, discutera des premières expériences sur l’effet de la mouillabilité, la rugosité et la dureté sur la facilité de nettoyage des polymères purs. Plusieurs polymères ayant des surfaces plus ou moins hydrophobes seront investigués afin d’observer leur effet sur la nettoyabilité. L’effet de la rugosité sur la nettoyabilité sera investigué en imprimant une rugosité définie lors du moulage des échantillons; l’influence de la dureté sera également étudiée. Ensuite, un modèle de salissage/nettoyage sera établi à partir de nos résultats et observations afin de rationaliser les facteurs, ou « règles », qui détrminent la facilité de nettoyage des surfaces. Finalement, la réticulation au peroxyde sera étudiée comme une méthode de modification des polymères dans le but d’améliorer leur nettoyabilité; un mécanisme découlant des résultats de ces études sera présenté. Le CHAPITRE 4 étendra cette recherche aux mélanges de polymères; ces derniers servent habituellement à optimiser la performance des polymères purs. Dans ce chapitre, les mêmes tests discutés dans le CHAPITRE 3 seront utilisés pour vérifier le modèle de nettoyabilité établi ci-haut. De plus, l’influence de la non-miscibilité des mélanges de polymères sera discutée du point de vue de la thermodynamique (DSC) et de la morphologie (MEB). L’utilisation de la réticulation par peroxyde sera étudié dans les mélanges EPDM/ (E-ran-MAA(Zn)-ran-BuMA) afin d’améliorer la compatibilité de ces polymères. Les effets du dosage en agent de réticulation et du temps de cuisson seront également examinés. Finalement, un compatibilisant pré-réticulé a été développé pour les mélanges ternaires EPDM/ (E-ran-MAA(Zn)-ran-BuMA)/ HSR; son effet sur la nettoyabilité et sur la morphologie du mélange sera exposé. / Abstract: The development of industrial polymers provides more choices to the design of flooring materials. Rubbers, PVC and linoeleum are the most used polymers in the flooring industry. This project stems from the problem of cleanability (ease of cleaning) of the surface of rubber tile flooring which is known as a soft, sticky and rough surface. In the introduction, the current situation of research on the polymer flooring industry, especially the study on the cleaning problem will be introduced. The relevant theory and general information on polymers, polymer composites and surface science will be introduced in CHAPTER 1. In CHAPTER 2 different approaches, protocols and equipment to evaluate cleanability will be presented. The initial experiments and results (CHAPTER 3) will involve various fundamental concepts on surface wettability, roughness and hardness, as these properties can all influence the surface soiling and cleanability. In single-polymer systems, dozens of polymer materials with a hydrophobic or hydrophilic surface were investigated to observe their soiling and cleaning properties. The effect of roughness was also studied by surface printing method which is used to control the surface topography. Likewise, the influence of surface hardness on cleanability was also investigated with different polymer materials. From the above results and observations, a surface soiling/cleaning model is proposed in attempt to simplify the ― rules ‖ which determine the surface cleanability. Finally, peroxide crosslinking was investigated as a matrix modification method to improve the surface cleanability. The second part of the experiments and results (CHAPTER 4) extends to investigations of polymer blends, in attempt to optimize the performance of single-polymer materials. In this chapter, the surface cleaning model and its relevant rules are examined by the wettability, roughness and hardness tests discussed in CHAPTER 3. The influence of immiscibility on cleaning performance will be discussed in polymer blends from the point of view of thermodynamics (DSC) and morphology (SEM). In order to improve the compatibility in polymer blends, peroxide crosslinking was performed in EPDM/ (E-ran-MAA(Zn)-ran-BuMA) blends. The dosage of curing (cross-linking) agent and curing time were investigated to observe the influence of these experimental conditions on cleanability. Finally, a blend compatibilizer was designed to improve the compatibility of the EPDM/ (E-ran-MAA(Zn)-ran-BuMA)/HSR blends.The compatibilizer prepared by partial pre-crosslinking of EPDM (Nordel) and E-ran-MAA(Zn)-ran-BuMA (Surlyn) was incorpo rated in polymer composites and its influence on cleanability was studied and explained on the basis of changes in morphology of the blend polymer matrix.

Le mélange de polymères offre une voie pratique et économique pour élaborer de nouveaux matériaux qui peuvent avoir des propriétés que chacun des polymères ne possède pas nécessairement. L’élaboration de mélanges de polymères à base de PP a souvent pour objet d’obtenir des matériaux avec une résistance au choc élevée, une rigidité suffisante et une processabilité adéquate. Le polycarbonate (PC) est mélangé avec le PP en raison de ses propriétés exceptionnelles (rigidité élevée et résistance au choc excellente) par rapport à d’autres polymères techniques. Le PC se disperse mal dans le PP car ils sont immiscibles entre eux et leur rapport de viscosité très élevé. La clé pour obtenir des mélanges PP/PC avec une résistance au choc élevée et une rigidité suffisante consiste à les compatbiliser et à diminuer le rapport de viscosité de manière efficace. De nouveaux agents compatibilisants ont été développés pour renforcer les interactions entre le PC et le PP et contrôler la morphologie des mélanges. Les mélanges PP/PC obtenus ont une très résistance au choc et une rigidité suffisante. La performance des agents compatibilisants ainsi que les mécanismes d’amélioration de la résistance au choc ont été étudiés. L’évolution de la morphologie des mélanges PP/PC ainsi que la relation entre la composition et la microstructure ont été simulées avec l’aide des théories de dynamiques à l’échelle moléculaire et mésoscopique / Polymer blending provides a practical and economic way of preparing new materials with combinations of properties not available in a single polymer. In order to improve the toughness of polypropylene while retaining its rigidity as much as possible, a new concept “rigid–rigid polymer toughening” was developed. Polycarbonate (PC) was selected to blend with PP in this study because of the advantages it provides over many other conventional engineering polymers in terms of high strength and toughness. The key to obtaining materials with high toughness and balanced rigidity relies on effectively compatibilizing this polymer pair and reducing the viscosity ratio. In this study, novel compatibilizers for the PP/PC blend were prepared or chosen to promote interactions between PP and PC and control the morphology of the blend. Some of the compatibilizers took the role of both compatibilizer and toughener. The performance of compatibilizers and toughening mechanism of blends were studied in detail. The morphology evolution of PP/PC blends and the relationship between the composition and microstructure were simulated based on molecular dynamics and mesodyn theories

Cette thèse présente un travail de synthèse et caractérisation de nanocomposites polymères en utilisant comme charge les hydroxydes doubles lamellaires (HDL). Dans la première partie, nous avons caractérisé la charge réactive résultante de l'intercalation des tensio-actifs monomères tels que le sulfopropylméthacrylate (SPMA), le 4[12(methacryloylamino)dodecanoylamino]benzènesulfonate (MADABS) et le 2-acrylamido-2-methyl-1-propane sulfonique (AMPS). De même, des autres phases hybrides obtenues à partir de poly(SPMA) et poly(AMPS) ont été caractérisées. La polymérisation in-situ est réalisée dans le cas de SPMA et AMPS par les spectroscopies (IR et RMN13 C CP-MAS). Pour les nancomposites polymères obtenus à partir de la dispersion des charges HDL hybrides, une structure intercalée a été observée dans le cas de SPMA et MADABS et une autre non miscible dans le cas de AMPS. Des résultats rhéologiques intéressants sont trouvés : dans le cas de SPMA quelque soit la nature des phases hybrides, par la formation d'un réseau de type gel structuré entre la charge et le polymère. Les résultats de rhéologie et de TEM montrent que la nature physico-chimique de la charge est un facteur déterminant dans la dispersion et la structuration du réseau de percolation de charge. Dans la deuxième partie, nous avons caractérisé (DRX, IR, et RMN) la charge fonctionnelle résultante de l'intercalation des colorants tels que : -acid Orange 6 (C12 H9 O5 N2 S Na), direct yellow 50 (C35 H28 N6 O13 S4 Na4), red 75 (C33 H16 O15 N8 S4 Na4), acid green 25 (C28 H22 N2 O8 S2 Na2) et Evan blue (C34 H28 N6 O16 S4) ; Trypan blue (Niagara blue) (C34 H28 N6 014 S4). La carte de densité électronique a montré un arrangement en position inclinée dans l'espace interlamellaire d'un angle de 35° selon l'axe est proposé avant le traitement hydrothermal et en position parallèle après traitement pour le Yellow dans l'espace interfeuillet de l'HDL. L'effet protecteur de la structure HDL est montré puisqu'une stabilité en température des propriétés optiques est observée. Une amélioration des propriétés rhéologiques pour les nanocomposites formés est observée dans le cas de Orange et Niagara par rapport au polystyrène seul. Ceci est expliqué par des interactions de type friction entre les chaînes de PS et les molécules colorantes présentes en surfaces des cristallites, la structure des PS nanocomposites restant apparemment non miscible.

L'efficacité des cellules photovoltaïques organiques est influencée par la morphologie du mélange composant la couche active. L'objectif de cette thèse a été d'élaborer un agent compatibilisant pour stabiliser la morphologie du mélange P3HT:PCBM. Nous avons choisi de synthétiser des copolymères alternant motifs C60 et polythiophène pour améliorer la miscibilité entre P3HT et PCBM. Les copolymères ont été réalisés par polycondensation d'un dérivé C60 avec plusieurs oligothiophènes régioréguliers de difonctionnalité contrôlée. Une attention particulière a été accordée aux conditions de polycondensation qui ont été optimisées pour favoriser de hauts degrés de polymérisation. Les caractérisations structurales, optiques et électrochimiques des matériaux ont été réalisées. Leur effet compatibilisant a été évalué en caractérisant la morphologie de la couche active par des mesures en cellules photovoltaïques, des observations par microscopie à force atomique et des calculs d'énergies de surface.

L'efficacité des cellules photovoltaïques organiques est influencée par la morphologie du mélange composant la couche active. L'objectif de cette thèse a été d'élaborer un agent compatibilisant pour stabiliser la morphologie du mélange P3HT:PCBM. Nous avons choisi de synthétiser des copolymères alternant motifs C60 et polythiophène pour améliorer la miscibilité entre P3HT et PCBM. Les copolymères ont été réalisés par polycondensation d'un dérivé C60 avec plusieurs oligothiophènes régioréguliers de difonctionnalité contrôlée. Une attention particulière a été accordée aux conditions de polycondensation qui ont été optimisées pour favoriser de hauts degrés de polymérisation. Les caractérisations structurales, optiques et électrochimiques des matériaux ont été réalisées. Leur effet compatibilisant a été évalué en caractérisant la morphologie de la couche active par des mesures en cellules photovoltaïques, des observations par microscopie à force atomique et des calculs d'énergies de surface. / Efficiency of organic photovoltaic solar cells is influenced by the active layer's morphology. The aim of this thesis was to elaborate a compatibilising agent which could stabilise the morphology of the P3HT:PCBM blend. We chose to synthesize alternating copolymers based on fullerene and polythiophene blocks to improve compatibility between P3HT and PCBM. The synthesis of copolymers has been achieved by polycondensation of a fullerene derivative with several regioregular oligothiophenes for which difunctionality was well controlled. Particular care has been given to the optimisation of polycondensation conditions in order to favour high polymerisation degrees. Structural, optical and electrochemical characterisations have been realized. The compatibilising effect of our copolymers on the active layer morphology has been investigated on the basis of photovoltaic measurements, atomic force microscopy observations and surface energy calculations.

Le mélange de polymères est une méthode répandue pour élaborer des matériaux polymères. Cependant, la plupart des polymères sont thermodynamiquement immiscibles entre eux, engendrant une séparation de phase des mélanges et une détérioration de leurs propriétés. Afin de palier ces problèmes, la méthode dite compatibilisation réactive est souvent employée. Elle est basée sur la formation in-situ de copolymères à bloc ou greffés par l’intermédiaire de réactions interfaciales entre polymères réactifs. Cette thèse a pour objet de développer un concept dit agent compatibilisant-traceur réactif qui permettra d’utiliser de faibles quantités d’agents compatibilisants réactifs pour évaluer leurs efficacités de compatibilisation directement sur des extrudeuses bi-vis industrielles, d’une part ; et de caractériser la performance du mélange d’une extrudeuse bi-vis en fonction des conditions opératoires et/ou du profil de vis employé. Ses principales contributions se résument ci-après. L’anthracène de 9-méthylaminométhyle (MAMA), une molécule fluorescente, est incorporée dans un copolymère statistique de styrène (St) et d’isocyanate de 3-isopropenyle-?, ?’-diméthylebenzène (TMI), noté PS-TMI, pour former un agent compatibilisant-traceur réactif, noté PS-TMI-MAMA. Ce dernier sert à la fois comme agent compatibilisant réactif grâce aux groupements isocyanate et traceur grâce aux groupements fluorescents. Il est utilisé pour les mélanges à base de polystyrène (PS) et de polyamide 6 (PA6) afin d’évaluer son efficacité de compatibilisation. Les mélanges PS/PA6 sont élaborés dans un mélangeur discontinu et une extrudeuse bi-vis, respectivement. Dans le cas du mélangeur discontinu, la quantité du copolymère greffé formé in-situ, noté PS-g-PA6-MAMA, augmente alors que le diamètre des domaines de la phase dispersée (DDD) diminue considérablement au début du mélange. Lorsque le mélange se poursuit, le nombre de greffons en PA6 du PS-g-PA6-MAMA augmente, engendrant une composition très asymétrique du PS-g-PA6-MAMA qui est thermodynamiquement instable aux interfaces. De ce fait, il peut être arraché des interfaces vers la phase PA6 et peut y former des micelles. Lorsqu’il est arraché des interfaces, il perdra son efficacité de compatibilisation et le DDD augmentera. L’action du mélange a un double effet sur le procédé de compatibilisation réactive. Il promeut la réaction interfaciale entre le PS-TMI-MAMA et le PA6, d’une part ; et aggrave l’arrachage du PS-g-PA6-MAMA de l’interface, d’autre part. L’utilisation de faibles quantités de l’agent compatibilisant-traceur réactif permet de mesurer les évolutions de la teneur en agent compatibilisant-traceur réactif, du DDD et de la teneur en agent compatibilisant-traceur réactif ayant réagi en fonction du temps de séjour dans une extrudeuse bi-vis. Pour une masse molaire donnée, l’efficacité de compatibilisation d’un agent compatibilisant-traceur réactif augmente avec l’augmentation de la teneur en TMI dans une certaine limite. Pour une teneur en TMI donnée, la réaction interfaciale est plus rapide avec la diminution de la masse molaire dans une certaine limite et le DDD devient plus petit en un temps plus court. L’influence du taux de remplissage de la vis est plus significative que celle du temps de séjour. Lorsque le taux de remplissage de la vis augmente, le taux de la réaction interfaciale augmente et le DDD diminue. Lorsque l’angle d’un élément de mélange augmente, les efficacités du mélange distributif et du mélange dispersif augmentent, ce qui se traduit par une augmentation de la quantité du PS-g-PA6-MAMA formée et une diminution du DDD par rapport à la même quantité de PS-g-PA6-MAMA produite. Lorsque la largeur d’un élément de mélange augmente, l’efficacité du mélange distributive augmente alors que celle du mélange dispersif demeure inchangée. La substitution d’éléments de mélange par des éléments inverses améliore l’efficacité du mélange distributif et celle du mélange dispersif / Polymer blending is a common method to prepare high-performance polymer materials. However, most polymer pairs are thermodynamically immiscible, leading to phase separation and deterioration in material properties. To overcome such problems, the most common method is reactive compatibilization which is based on the in-situ formation of a graft or block copolymer by interfacial reaction between reactive polymers. This thesis aims at developing a concept of reactive compatibilizer-tracer which will allow using small amounts of reactive compatibilizers to evaluate their compatibilizing efficiency in industrial scale twin screw extruders, on the one hand; and to characterize the mixing performance of a twin screw extruder as a function of process conditions and/or screw profile. Its main contributions are summarized below. 9-(methylaminomethyl) anthracene (MAMA), a fluorescent molecule, is incorporated into a random copolymer of styrene (St) and 3-isopropenyl-?, ?’-dimethylbenzene isocyanate (TMI), denoted as PS-TMI, to form a reactive compatibilizer-tracer, denoted as PS- TMI-MAMA. The latter serves both as a reactive compatibilizer due to its isocyanate moieties and a tracer due to its fluorescent moieites. It is used for polystyrene (PS)/polyamide 6 (PA6) blends to evaluate its compatibilizing efficiency. Compatibilized PS/PA6 blends are processed in a batch mixer and in a twin screw extruder, respectively. In the case of the batch mixer, the amount of the in-situ formed graft copolymer denoted as PS-g-PA6-MAMA increases and the dispersed phase domain diameter (DDD) decreases drastically in the initial period of mixing. As the mixing further proceeds, the number of PA6 grafts of the PS-g-PA6-MAMA increases, resulting in a highly asymmetrical composition of the PS-g-PA6-MAMA which causes thermodynamic instablility at the interface. As a result, it could be pulled out of the interface to the PA6 phase and form micelles. Once it is pulled out of the interface, it will lose its compatibilizing efficiency and the dispersed phase domain diameter increases sharply. Mixing has a dual effect on the reactive compatibilization process. On the one hand, it promotes the interfacial reaction between the PS-TMI-MAMA and PA6. On the other hand, it aggravates the pull out of the resulting PS-g-PA6-MAMA from the interface. The use of small amounts of the reactive compatibilizer-tracer together with transient experiments for RTD allows assessing the evolutions of the reactive compatibilizer-tracer content (CC), the dispersed phase domain diameter (DDD), and the reacted reactive compatibilizer-tracer content (RCC) as a function of residence time in a twin-screw extruder. Based on the above results, the emulsification curve (DDD vs. CC), the RCC vs. CC curve and effective emulsification curve (DDD vs. RCC) are obtained. When the molar mass of the reactive compatibilizer-tracer is fixed, its compatibilizing efficiency increases with increasing TMI content within an appropriate range. When its TMI content is fixed, the interfacial reaction goes faster as the molar mass of the reactive compatibilizer-tracer decreases within a certain range, and the DDD becomes smaller in a shorter time. The effect of degree of fill fixed by the throughput Q/screw speed N ratio is more dominant than that of residence time. As the degree of fill increases, the interfacial reaction increases and the DDD decreases. As the angle of adjacent the kneading block increases, its distributive and dispersive mixing efficiencies increase, resulting in an increase in interfacial area generation and a decrease in DDD on the basis of the same amount of PS-g-PA6-MAMA. On the other hand, as the width of the kneading block increases, the distributive mixing efficiency increases and the dispersive mixing efficiency remains unchanged. Substitution of kneading blocks by reverse ones increase both the distributive and dispersive mixing efficiencies

Ce travail se focalise sur l’étude de cellules solaires organiques modèles basées sur le mélange de poly(3-hexylthiophène) (P3HT) et de l'ester méthylique de l'acide [6,6]-phényl C61 butyrique (PCBM). La corrélation entre la morphologie de la couche active, les paramètres de mises en œuvre et le rendement photovoltaïque a été soigneusement étudiée afin d’obtenir l’optimisation de l’efficacité de tels dispositifs. Une méthode originale pour contrôler la séparation de phases dans ces mélanges a été proposée et consiste à l'intégration de copolymères blocs comme additifs. Trois copolymères séquencés ont été utilisés en tant qu’agents de nanostructuration et/ou d'agents de nucléation. Il a notamment été montré que l'incorporation de P3HT-b-PI permet l'augmentation du nombre de cristallites de P3HT tout en limitant l’agglomération du PCBM. D'autre part, l'incorporation de P3HT-b-P4VP dans les mélanges de P3HT:PCBM a permis de contrôler l'orientation des cristallites de P3HT, améliorant par ce fait le transport de charge dans les dispositifs. / This work investigates organic solar cells made of a blend of polymeric materials based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) as model system. The correlation between the photovoltaic active layer morphology and the performance of the organic solar cell is thoroughly investigated. The chosen method for controlling phase separation in the polymeric blends is to incorporate block copolymers as additives. Three systematically selected block copolymers were used as nanostructuring and/or nucleating agents. Indeed, the incorporation of P3HT-b-PI induces the increase in the number of P3HT crystallites as well as suppresses the growth of PCBM aggregates. On the other hand, the incorporation of P3HT-b-P4VP into P3HT:PCBM decreases the crystallization of P3HT but increases its face-on orientation, a requirement for an enhanced charge transport in organic PV devices.

Ce travail se focalise sur l'étude de cellules solaires organiques modèles basées sur le mélange de poly(3-hexylthiophène) (P3HT) et de l'ester méthylique de l'acide [6,6]-phényl C61 butyrique (PCBM). La corrélation entre la morphologie de la couche active, les paramètres de mises en œuvre et le rendement photovoltaïque a été soigneusement étudiée afin d'obtenir l'optimisation de l'efficacité de tels dispositifs. Une méthode originale pour contrôler la séparation de phases dans ces mélanges a été proposée et consiste à l'intégration de copolymères blocs comme additifs. Trois copolymères séquencés ont été utilisés en tant qu'agents de nanostructuration et/ou d'agents de nucléation. Il a notamment été montré que l'incorporation de P3HT-b-PI permet l'augmentation du nombre de cristallites de P3HT tout en limitant l'agglomération du PCBM. D'autre part, l'incorporation de P3HT-b-P4VP dans les mélanges de P3HT:PCBM a permis de contrôler l'orientation des cristallites de P3HT, améliorant par ce fait le transport de charge dans les dispositifs.

L’optimisation de la morphologie de la couche active est primordiale pour l’augmentation des rendements des cellules solaires photovoltaïques organiques. Nous avons montré l’influence du ratio de matériaux donneur (P3HT) et accepteur (PCBM) d’électrons ainsi que de la masse molaire du P3HT sur la morphologie de la couche active. Afin de contrôler la séparation de phases entre les matériaux donneur et accepteur d’électrons, il est possible d’utiliser des copolymères à blocs afin d’aider la compatibilisation entre le P3HT et le PCBM. Nous avons choisi de synthétiser des copolymères à blocs P3HT-b-polystyrène et des P3HT-b-polyisoprène présentant une certaine compatibilité avec les matériaux de la partie active. L’ajout optimisé de P3HT-b-polyisoprène permet une augmentation de 30% des rendements et de 90% de durée de vie des cellules solaires. / Active layer morphology optimization is fundamental to achieve high efficiency in organic photovoltaic solar cells. We showed the influence of the donor (P3HT) and acceptor (PCBM) material ratio and the impact of the P3HT molecular weight on the active layer morphology. We demonstrated the possibility of using well-designed block copolymers to help P3HT and PCBM compatibilization and to control their phase separation. We chose to synthesize P3HT-b-polystyrene and P3HT-b-polyisoprene for which each block is compatible with the active materials. Optimal addition of P3HT-b-polyisoprene enables to get a 30%-improved efficiency and a 90%-enhanced lifetime of the solar cells.