Dans le but d’améliorer les performances des micro-accumulateurs au lithium, de nouvelles voies de dépôt, compatibles avec des géométries texturées, sont actuellement explorées. Au cours de ce travail de thèse, un nouvel électrolyte solide déposé par voie « humide » a été développé. Ce matériau, composé d’un liquide ionique et d’un sel de lithium confinés dans une matrice solide, a été synthétisé par polymérisation in-situ d’un oligomère diméthacrylate. Afin de définir leurs caractéristiques de conduction ionique, de nouvelles méthodes, comme le suivi de la photo-polymérisation par impédance in-situ ou encore la réalisation d’un nouveau design de cellules à base de peignes interdigités, ont été développées. De plus, le transfert du lithium a été mesuré par RMN diffusionnelle. Une diminution significative de la vitesse de diffusion des ions Li+ après la photo-polymérisation a ainsi été mise en évidence. La spectroscopie Raman a permis de démontrer que celle-ci est due à la complexation des ions par les chaines de poly(oxyde d’éthylène) de la matrice solide. En outre, grâce aux observations de différentes compositions, un mécanisme de diffusion mixte des ions Li+ par migration dans le liquide et par sauts dans le solide a été identifié. Par conséquent, ces résultats nous ont permis de définir une stratégie pour améliorer la diffusion des ions Li+ : l’ajout d’un copolymère monofonctionnel a permis de diminuer la densité de réticulation de la matrice solide et ainsi d’optimiser la mobilité des chaines polymères. En effet, les performances de cyclage dans des empilements de micro-accumulateurs complets ont été améliorées. A température ambiante, ces résultats se sont révélés très proches de ceux obtenus avec l’électrolyte solide standard LiPON. En conclusion, l’analyse établie a permis de comprendre les liens entre structure et performances électrochimiques, ce qui a permis de dégager les voies d’amélioration les plus prometteuses pour ce type d’électrolytes. / New deposition techniques compatible with making tridimensional geometries are currently being investigated with the aim of improving the performances of lithium microbatteries. This work focuses on the development of a new quasi-solid electrolyte deposited by a “wet process”. An ionic liquid-based membrane containing a lithium salt was prepared by the photo-induced polymerization of a dimethacrylate oligomer. New methods such as a new type of conductivity cell based on planar interdigitated electrodes to measure ionic conductivity as well as in-situ monitoring of photo-polymerization using impedance spectroscopy were used. Transport properties of lithium ion were measured by PGSE-NMR. Interestingly, a significant reduction of lithium ion mobility was observed after UV-curing while the total ionic conductivity only decreased slightly. This phenomenon is due to the formation of lithium ion complexes with ethylene oxide moieties of the solid matrix, evidenced by Raman spectroscopy measurements. Additionally, we have shown that the structures of the complexes depend on the salt concentration and a dual solid/liquid transport mechanism was suggested. Hence, in order to improve lithium ion diffusion, a co-polymer was added in an attempt to decrease the cross-linking density of the solid matrix thus improving its segmental motion. The cyclability of the all solid state micro batteries was indeed improved. Comparable performances with the standard solid electrolyte LiPON were obtained at room temperature. In summary, it was established that electrochemical performances of the solid state microbatteries depend to a certain extent on the structure of the polymer electrolyte. Therefore it is possible to find new ways in designing these types of electrolytes for further improvement.

Les travaux présentés portent sur l’étude du HNBR (Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber), un polymère à base d’acrylonitrile, pour son application en tant que liant d’électrodes dans les batteries lithium ions. Cette thèse repose sur un partenariat avec l’entreprise Hutchinson (spécialisée dans le domaine des polymères) qui a cherché à développer un nouveau procédé pour la fabrication des électrodes. Ce procédé par voie fondue a soulevé la problématique du polymère liant utilisé dans les électrodes puisque ce dernier doit être compatible avec le procédé tout en étant utilisable dans des batteries. C’est dans l’optique de trouver et valider un tel polymère que s’inscrit cette thèse sur le polymère HNBR. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur les répercussions du traitement thermique, étape importante du procédé par voie fondue, sur le HNBR. Il a été conclu que le traitement thermique conduit à une réticulation du polymère aidant ainsi à la stabilité chimique du HNBR dans les électrolytes organiques des batteries. Ensuite, le HNBR a été introduit comme liant d’électrodes et a été analysé, avec le procédé de fabrication classique puis avec le nouveau procédé. Nous avons remarqué que le HNBR est un bon candidat pour être utilisé dans un système électrochimique car il y est stable sur une large gamme de potentiels et permet d’obtenir des performances en cyclage et en puissance intéressantes. Face à ce constat, la dernière partie des travaux s’est concentrée sur une analyse approfondie du système en étudiant les interactions entre les fonctions polaires du HNBR, les nitriles, et les ions lithium présents dans l’électrolyte. La combinaison polymère-sel-solvant a été étudiée pour comprendre comment chacun de ces paramètres impacte les propriétés électrochimiques du système et en particulier la conductivité. Nous avons remarqué qu’un taux d’acrylonitrile élevé est favorable à une plus haute conductivité et que le solvant, de par son affinité avec le HNBR, est également à considérer. / In this thesis, we have investigated an acrylonitrile-based polymer, HNBR (Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber), for its application in lithium ion batteries. This work relies on a partnership with the company Hutchinson (specialized in polymers) who was interested in developing a new process for the fabrication of electrodes. This melt-based process revealed problems regarding the polymer that is used as a binder for the electrodes as it needs to be compatible with the process as well as with the application in batteries. The aim of the thesis was therefore to find and validate a polymer meeting these requirements. Hence, HNBR was investigated. At first, we focused on the thermal treatment of HNBR, a key step of the melt-process. It was concluded that the thermal treatment leads to the cross-linking of HNBR, which is an asset because it increases the chemical stability of HNBR in the presence of the organic electrolyte. The following step was to introduce HNBR into the electrode formulation and investigate the performances of electrodes, made with the classical process and then with the melt process. It was found that HNBR is a good candidate to be introduced in an electrochemical system because it is stable over wide potential ranges and it allows interesting cycling and power performance. Faced with these findings, the last part of the study was to focus on analyzing the system more deeply by investigating the interactions between the HNBR polar functions, nitriles, and the lithium ions from the electrolyte. The ternary system polymer-salt-solvent was analyzed to understand the impact of each of these parameters on electrochemical properties, especially the conductivity. We noticed a high acrylonitrile content was beneficial to have a higher conductivity and that the solvent, regarding its affinity with HNBR, needs also to be considered.

Die Funktionalisierung von tetra-PEG Makromolekülen mit fotoreaktiven Gruppen und die anschließende Umsetzung zu Hydrogelen durch fotochemische Vernetzung werden beschrieben. Die Funktionalisierung der Makromoleküle wird mittels UV-Vis- und NMR-Spektroskopie nachgewiesen, während der Verlauf der Vernetzung über die dynamische Lichtstreuung und IR-Spektroskopie betrachtet wird. Die hergestellten Hydrogele werden hinsichtlich des Sol-Anteils und der Quelleigenschaften untersucht. Über den Umsatz wird die Konzentration der Netzketten theoretisch berechnet. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Charakterisierung der Hydrogele hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften. Über den Speichermodul wird die Konzentration der Netzketten experimentell bestimmt. Mittels dynamischer Lichtstreuung werden die kooperativen Diffusionskoeffizienten und Maschenweiten der Hydrogele bestimmt.

In vorangegangenen Arbeiten im eigenen Arbeitskreis wurden sensitive Hydrogelpartikel im mm- und μm-Bereich synthetisiert. Die Reaktion dieser Gele auf Änderung des einwirkenden Stimulus war jedoch nicht schnell genug für die gewünschten Anwendungen in Mikroventilen. Die verwendeten Polymere waren statistische Copolymere aus einem Chromophor (DMIAAm) und einem sensitiven Monomer (NIPAAm) und wiesen daher sehr breite Molmassenverteilungen auf. Mit Hilfe des Chromophores wurde es möglich, Hydrogele im Submikrometerbereich zu synthetisieren. Bei der Vernetzung dieser Polymere mit UVBestrahlung musste immer ein Tensid (SDS) zugesetzt werden, um die Bildung kleiner Aggregate zu unterstützen und gleichzeitig die Bildung großer zu unterdrücken. Ein solches Tensid kann die Anwendung dieser Hydrogele in bestimmten Bereichen, wie in der Medizin, verhindern. Es sollen daher tensidfrei Hydrogele synthetisiert werden. Für die Vernetzung sollte auf die photochemische Variante mit DMIAAm als Chromophor zurückgegriffen werden. Als Ausgangspolymere wären Di- bzw. Triblockcopolymere denkbar, die in wässriger Lösung zu einer Mizellbildung neigen. Aus den oben genannten Problemen ergab sich die folgende Zielstellung für die Arbeit. Es sollten sensitive Hydrogelpartikel erzeugt werden, die in der Lage sind, schnell auf eine Änderung der Temperatur zu reagieren. Eine kurze Reaktionszeit ist nur von Gelpartikeln mit kleinen Dimensionen im nm-Bereich zu erwarten. Weiterhin sollen diese Partikel mit einer Hülle umgeben werden, die für eine Stabilisierung sorgt und die Bildung größerer Aggregate unterbindet. Die Hülle muss so beschaffen sein, dass die Volumenänderung des sensitiven Blocks nicht beeinflusst wird. In dieser Dissertation wurde die kontrollierte radikalische Polymerisation von Acrylaten und Acrylamiden untersucht. Als Methode kam die Reversible-Addition-Fragmentation-chain-Transfer (RAFT) Polymerisation zum Einsatz. Die RAFT wurde gewählt, weil diese im Gegensatz zur ATRP metallionenfrei verläuft und die NMRP nicht für Acrylate geeignet ist. Bei den RAFT-Polymerisationen der verschiedenen Monomere wurden vier unterschiedliche Kettenüberträger verwendet (Schema 33) und folgende Ergebnisse erhalten. Als Lösungsmittel kam 1,4-Dioxan in den Polymerisationen zum Einsatz.

The aim of this thesis was to synthesize a functionalized polar conjugated polythiophene that could be (3D-) printed into form-stable structures for bio-interfacing. The material design rationale aimed for a water-processable polymer that had the capability of electronic and ionic conduction, by using a thiophene backbone and oligoethylene side chains. Functionalization of the oligoethylene side chains with carboxylate groups created a polyanion, which allowed for a bio-inspired approach to combine printability and form-stability through formation of complex coacervates. The synthesis of the conjugated monomer and polymer was optimized to provide a more sustainable and material efficient synthesis route. Combined structural analysis with 1H-NMR, FT-IR and UV-vis revealed successful synthesis of the target polymer. Spectro electrochemistry revealed that the polymer was optically and electrochemically active in both the protected and deprotected form. The obtained material is processable from water, and initial tests revealed that crosslinking can be achieved through formation of acid dimers, ionic crosslinks with Ca2+ ions and complex coacervation with a polycation. / <p>Examensarbetet är utfört vid Institutionen för teknik och naturvetenskap (ITN) vid Tekniska fakulteten, Linköpings universitet</p>

L'utilisation de matériaux renouvelables est considérée comme l'un des points clés du développement durable. Les glucides sont facilement biodégradables et ont tendance à se dégrader dans les environnements biologiquement actifs. L'hémicellulose (HC) est l'un des polysaccharides les plus courants, représentant environ 20 à 35% de la biomasse lignocellulosique, et n'a pas encore trouvé sa place dans de larges applications industrielles comme la cellulose, autre ressource forestière. L'hémicellulose est un hétéro-polysaccharide. C'est aussi un substitut vert pour les polyols issus du pétrole ainsi qu'un substitut non alimentaire des polyols d'amidon. Les objectifs de ce projet sont le développement d'une stratégie optimisée pour l'extraction de l'hémicellulose et son utilisation dans les biomatériaux à forte valeur ajoutée. L'extraction de l'hémicellulose aurait un grand potentiel comme matière première de la nouvelle bio-économie. Pour étendre ses applications au domaine porteur des hydrogels, comme aux revêtements et adhésifs sensibles aux stimuli, des réseaux de polymères ou des systèmes de relargage de médicaments, les propriétés de l'hémicellulose ont été modifiées en introduisant sur sa chaîne principale des groupes réactifs pour le rendre réticulable réversiblement par la réaction de Diels-Alder. Par cette approche, le potentiel de remplacement des matières premières dérivées du pétrole par des ressources renouvelables pour la production de matériaux polymères biodégradables est important du point de vue sociétal et environnemental. / The increased use of renewable materials is considered as one of the key issue of the sustainable development. Carbohydrates are readily biodegradable and tend to degrade in biologically active environments. Hemicelluloses (HC) are one of the most common polysaccharides next to cellulose and chitin, representing about 20-35% of lignocellulosic biomass, and have not yet found broad industrial applications as does cellulose. Hemicellulose is a hetero-polysaccharide and a green substitute for petroleum based polyols and is a non-food-based substitute for starch polyols. The aims of this project are to develop an optimized strategy for the extraction of hemicellulose and the use of the extracted hemicellulose in value-added biomaterials. The extraction of hemicellulose would have great potential to supply raw materials for the new bio-economy. To expand its applications to the field of stimuli-responsive hydrogels, coating and adhesives, polymer networks, as well as drug-delivery systems, the properties of hemicellulose were functionalized by introducing reactive groups onto its main chain to reversibly crosslink it by the Diels-Alder reaction. Hemicellulose based materials were prepared and characterized for their suitable application. Finally, the worldwide potential demand for replacing petroleum-derived raw materials by renewable resources in the production of valuable biodegradable polymeric materials is significant from both social and environmental viewpoints fuel and will predominate in the coming periods.

La première partie de ce travail traite des propriétés mécaniques de matériaux silicones de type HCR réalisés à partir de macromolécules dont la structure a dû être déterminée. Les relations existantes entre macromolécules initiales et matériaux finaux sont discutées. Cela nous a permis d’isoler un seul paramètre à ajuster pour développer un procédé permettant l’architecturation des propriétés mécaniques d’une membrane en silicone : la densité de réticulation. Ensuite, nous avons comparé trois classes d’élastomères silicones en tentant de comprendre comment les différences de réseau, comprenant une matrice commune mais des moyens de réticulation et renforcements différents, influaient sur les propriétés mécaniques simples (par exemple de traction et de dureté) et plus avancées (comme les propriétés dynamiques et élastiques). L’influence du réseau, des charges, du mécanisme de réticulation et les différentes interactions existantes entre eux, ont orienté notre choix sur la formulation dont la réticulation est la plus contrôlée, et les propriétés élastiques les meilleures, c’est-à-dire les LSR. Nous avons alors développé un procédé permettant de contrôler localement la cinétique de réticulation d’une formulation silicone par dégradation du catalyseur aux UV. Ce procédé très simple nous a permis d’obtenir une large gamme de propriétés mécaniques avec des conditions de réticulations semblables. Les deux premières études ont permis d’expliquer plus facilement le comportement mécanique des matériaux-sous-réticulés. Des membranes anisotropes ont pu être réalisées à l’aide de masques à motifs. Les membranes obtenues ont même ouvert la porte à des perspectives très intéressantes, comme l’architecturation de surface par lavage au solvant, la post-fonctionnalisation chimique via les fonctions non réagies, et le collage cohésif silicone-silicone. / The first part of this work deals with the mechanical properties of high consistency silicone rubbers crafted from macromolecules whose structure had to be determined, and the existing links between initial macromolecules and final material behavior. It allowed us to choose only one parameter to adjust in order to manufacture mechanically architectured silicone membranes: the crosslinking density. Then, three types of silicone elastomers were compared in an attempt to understand how network differences, comprising the same matrix but different crosslinking chemistry and reinforcement, influenced the mechanical properties, both simple (such as hardness and modulus), and more complex (dynamic, and elastic). The influence of the network, fillers, matrix and the different interactions between them oriented our choice towards the silicone ty with the best control of the crosslinking and best elasticity, namely LSR. Then, we developed a process allowing the local control of the crosslinking kinetics of a silicone formulation by UV degradation of the crosslinking catalyst prior to regular heat crosslinking. From this simple and versatile process, materials with a wide range of mechanical properties were manufactured and characterized. The first two studies helped us to understand the mechanical properties of under and regularly crosslinked materials. Anisotropic membranes were also manufactured thanks to the use of patterned masks during irradiation. The obtained materials opened up new promising perspectives, such as surface architecturation through solvent wash of under crosslinked zone, chemical post functionalization of unreacted moieties, or even cohesive silicone-silicone gluing.

Ces travaux de thèse portent sur le développement d’un joint silicone pour la connectique dans l’aéronautique. Ce joint silicone doit être résistant aux solvants ainsi qu’aux huiles susceptibles de rentrer en contact avec celui-ci, et posséder de bonnes propriétés thermiques et mécaniques. Pour ce faire, les paramètres influençant ces propriétés ont été étudiés, comme la composition de la matrice, les conditions de sa réticulation et la formulation via différentes charges. Des matériaux silicones tels que le polydiméthylsiloxane (PDMS) et le polytrifluoropropylméthylsiloxane (PTFPMS) ont été sélectionnés pour composer la matrice. Leur flexibilité, leur large plage de température d’utilisation ainsi que leur excellente résistance aux attaques chimiques en font des matériaux de choix pour ce genre d’application. L’étude des mélanges de PDMS et de PTFPMS a démontré que les proportions idéales sont de 70/30 PDMS/PTFPMS. Le type de mélangeur sélectionné est une calandre bi-rouleaux, dont les rouleaux sont chauffés à 40°C. La réticulation de la matrice a été le sujet d’une étude approfondie. La cinétique de réticulation a été étudiée et l’influence des paramètres de réticulation tels que la température de réticulation, la nature et la quantité de peroxyde sur les propriétés finales ont été discutées. Finalement, l’influence de l’ajout de différentes charges sur le gonflement, la résistance thermique et les propriétés mécaniques de l’élastomère a été étudiée afin d’élaborer la formulation du joint silicone. / Polydimethylsiloxane (PDMS) and polytrifluoropropylmethylsiloxane (PTFPMS) elastomers are popular material in the aeronautic and connector fields. Their flexibility, wide service temperature range and chemical resistance make them first-choice materials for such applications. PTFPMS provides oil and apolar solvent resistance to the final material, while PDMS provides resistance to polar solvents, greater thermal resistance than PTFPMS, and cost reduction. Typically, connector seals comprising PDMS and PTFPMS can be composed of blends of homopolymers, of copolymers or of blends of homopolymers and copolymers. This present work deals only with blends of homopolymers. First, commercial PDMS and PTFPMS bases were selected and characterised, the blending process chosen and the PDMS/PTFPMS ratio tuned so as to minimise swelling in acetone and methylcyclohexane while maximising thermal properties. The optimal blend composition comprised 30 wt% PTFPMS. The second part of this work explored the influence of crosslinking conditions on final properties of the cured PDMS/FS blend. Crosslinking parameters, such as the temperature (160 and 180°C), the nature (DCP and DBPH) and the quantity (0.5 and 1 wt%) of peroxide, were varied. It appeared that co vulcanisation between PDMS and PTFPMS, occurs in certain conditions. Swelling as well is influenced by crosslinking conditions but not thermal properties. Finally, the formulation of the ideal elastomer was developed. Fillers, such as TiO2, CaCO3, quartz, CeO, a pigment, Fe2O3 and a platinum compound, were selected and their influence on thermal, mechanical and swelling properties studied. Regarding thermal and solvent properties, a high loading of fillers is a good strategy, however, an increase of permanent set was observed with the augmentation of filler fraction. Final formulations were selected for the compromise they offered between thermal and swelling properties and mechanical behaviour on the lab scale. Morphology observation revealed well dispersed domains, comparable to that of the non additivated blend.

Hereditary equine regional dermal asthenia (HERDA) is a recessive connective tissue disorder of Quarter Horse lineages. This study correlates previously identified decreases in skin tensile strength in HERDA with abnormal dermal collagen cross linking patterns that are also identified in urine from HERDA horses. Dermal collagen from HERDA horses has significantly less pyridinoline and significantly more deoxypyridinoline than control or carriers. Concentrations of hydroxylysine, the rate limiting substrate for these crosslinks were significantly lower in HERDA versus control and carriers. These characteristics of HERDA skin parallel humans with a similar syndrome of skin fragility, Ehlers Danlos Syndrome TypeVIA. This is the first biochemical evidence explaining the clinical skin fragility that characterizes HERDA and suggests that altered collagen lysine metabolism may be physiologically relevant to the clinical manifestation of HERDA. Evaluations of mature scars indicate that lesion and nonlesioned skin should not be viewed as biologically equivalent in HERDA investigations.

Osteoarthritis is one of the most common causes of disability in adults in America. It is a progressive and degenerative disease where the articular cartilage is broken down and lost from the surfaces of bones causing chronic pain and swelling in the joints, and currently has no cure. The most commonly osteoarthritis starts from a focal lesion on the cartilage surface, which will expand on the surface and downwards through the thickness of the tissue. The current gold standard for correcting cartilage focal lesions is the osteochondral autograft/allograft transplantation (OAT), which replaces the defect with a fresh osteochondral graft. The main limiting factor for using the OAT comes from the limited number of autograft and allografts that are available for implantation. To address the concern of graft availability, this study will look at the development of a porcine osteochondral xenograft (OCXG). The first aim of this research is to establish a decellularization protocol that will remove the antigens and cellular debris, which are the leading causes of graft rejection when implanting animal tissue in humans. The second aim of this study is restoring the mechanical strength of the OCXG that was lost during the decellularization process through crosslinking the tissue using genipin and epigallocatechin gallate (EGCG). The third aim is comparing the performance of the complete crosslinked OCXG at different degrees of crosslinking in a long-term goat animal model. The final aim is an alternative way to correct focal lesions through the development of an injectable collagen stabilizing treatment with genipin and punicalagin that will slow or stop the growth of a lesion and prevent osteoarthritis.