La réduction des coûts de maintenance est l’un des enjeux majeurs auquel doit faire face l’industrie ferroviaire pour rester concurrentielle. Parmi les organes de suspension nécessitant un entretien périodique fréquent, les éléments à base métal-caoutchouc jouent un rôle clé dans le fonctionnement du bogie. Les variations des propriétés mécaniques de ces éléments sont étudiées au travers de techniques de vieillissement accéléré pour représenter leur comportement tout au long du cycle de vie. Par ailleurs, des outils de description des variabilités observées sont proposés afin d’établir une stratégie de simulations dynamiques en considérant différents modèles d’un matériel roulant homologué. L’objectif est de quantifier leurs effets sur des indicateurs sécuritaires préconisés par les normes du secteur ferroviaire. Finalement, cette étude permet de justifier la pertinence d’une stratégie d’allongement de cycle de vie en maintenant le niveau de sécurité inhérent au matériel roulant ferroviaire. / The reduction of maintenance costs is a key stake for the competitivity of railway rolling stock manufacturers. The optimization of maintenance operations can be addressed by less, better-planned overhaul operations, through an increase of the life-cycle of some components. Among the most frequently checked suspension organs, rubber-to-metal elements have a key role on the bogie performance. The change on the mechanical properties of these elements are studied by accelerated ageing techniques, so as to represent their behaviour throughout their lifecycle. Several hyper-elastic laws, associated with the characterization of the rubber ageing, have been proposed in these works. These models have been used to simulate the behaviour of the real components. Hence, a set of tools describing the variability observed on the parts is proposed, allowing the design of a strategy for dynamics simulations considering several models of an already approved rolling stock model. The aim is to quantify the variability effect on the safety indexes demanded by standard norms. Finally, this study justifies the pertinence of a strategy aiming life-cycle extensions while ensuring the intrinsic safety levels required on railway rolling stock.

Im Mittelpunkt der Dissertation stehen räumlich-statistische Verfahren zur Charakterisierung der Verteilung von Füllstoffen (Ruß oder Silica) innerhalb der Polymermatrix von gefüllten Elastomeren. Das Variogramm und andere Zufallsfeldcharakteristiken werden dazu benutzt, um die in TEM-Aufnahmen von Dünnschnitten gefüllter Elastomere sichtbar werdende Füllstoffverteilung statistisch zu beschreiben. Mit Hilfe von Shot-Noise-Prozessen wird eine Verbindung zwischen der räumlichen Verteilung der kugelförmigen Füllstoffprimärpartikel und den TEM-Aufnahmen hergestellt. Mit einer stochastischen Optimierungsmethode kann das System der auf die Bildebene projizierten Primärpartikel auch aus TEM-Aufnahmen rekonstruiert werden, was zu einer robusten Charakterisierung der Füllstoffdispersion führt. Weitere wichtige Punkte der Arbeit stellen die statistische Charakterisierung einzelner Füllstoff-Aggregate sowie die Untersuchung der spezifischen Euler-Zahl des polymeren Netzwerkes dar.

L'objectif de ces travaux de thèse consiste à étudier la faisabilité du remplacement des huiles issues des ressources fossiles par des huiles végétales dans des matrices polymères. La première partie étudie la diffusion des huiles dans les matrices EPDM et PVC, en confrontant le modèle théorique des paramètres de solubilités de Hansen à des tests de diffusions suivis par rhéologie. Les résultats ont été analysés afin de mettre en évidence les avantages et les faiblesses de ce type de modèle. Dans un second temps, nous avons formulé une matrice élastomère en utilisant des plastifiants à base d'huiles végétales et vérifié avec différents tests l'efficacité de ces plastifiants. Les résultats ont mis en évidence des problèmes d'incompatibilité entre la matrice EPDM et les huiles agrosourcées. Une méthode de modification in situ a donc été utilisée sur de l'huile de Tung afin de fixer l'huile végétale dans la matrice. Enfin dans une dernière partie nous avons apporté différentes propriétés de réticulations à l'huile de Tung. Nous avons développé deux systèmes de réticulations basés sur des molécules di-fonctionnelles, le 2-furanmethanethiol et le 3-mercaptopropyltriethoxysilane. Au cours d'un procédé continu de mélangeage, nous avons greffé le 2-furanmethanethiol sur la matrice et sur l'huile végétale grâce à une réaction thiol-ène et une réaction de Diels-Alder, ce qui nous a permis de réticuler le système. Nous avons également étudié une autre molécule capable de créer des noeuds siloxanes à partir de réactions d'hydrolyse-condensations de fonctions alkoxysilanes après greffage sur la matrice EPDM et sur l'huile par réaction thiolène. Les résultats obtenus ont montré des propriétés similaires à un système de réticulation classique avec du dicumyl peroxide (DCP) / The aim of the thesis is to study the feasibility of replacing the fossil oils by vegetable oils in polymer matrices.The first section discusses the diffusion of oil in EPDM and PVC matrices. This study was carried out by confronting the theoretical model of the Hansen solubility parameters to experiment rheology tests. The results were analyzed to highlight the strengths and weaknesses of this model.In second part, we used an elastomer formulation based on vegetable oils plasticizers. The effectiveness of these plasticizers has been verified using different tests. The results showed the problems of incompatibility between the EPDM matrix and the bio-based oils. In situ modification method was therefore used on Tung oil to fix the vegetable oil into the matrix.Finally, in a last part we studied different properties of the crosslinked material. We have developed two crosslinking systems based on di-functional molecules, the 2-furanmethanethiol and 3-mercaptopropyltriethoxysilane

L’objectif de ce projet fut consacré à la synthèse d’un élastomère thermoplastique (TPE) innovant, utilisable en tant que joint entre des matrices composites. La polymérisation radicalaire contrôlée par des radicaux nitroxyde (NMP) fut choisie afin de produire des TPE copolymères à blocs de type styrénique. Le \uD835\uDEFD-myrcène (My) fut dans un premier temps sélectionné pour synthétiser le bloc souple poly(\uD835\uDEFD-myrcène) P(My). La NMP du My en masse à 120 oC en utilisant l’amorceur BlocBuilderTM fonctionnalisé avec l’ester succinimidyl (NHS-BB) fut très bien contrôlée, permettant l’extension de chaîne du macro-amorceur cis-1,4-P(My) avec du styrène (S). Les copolymères diblocs P(My-b-S) obtenus ayant une masse molaire moyenne en nombre modérée (Mn < 50 kg.mol-1) montrèrent un comportement fragile en test de traction uniaxiale (résistance à la rupture en traction σB < 1,1 MPa, allongement à la rupture en traction εB < 16%). L’incorporation d’unités fonctionnelles au sein du segment souple fut réalisée en parallèle via la NMP du My avec du méthacrylate de glycidyle (GMA) afin de favoriser possiblement le processus de soudage / collage entre le TPE et les composites thermoplastiques envisagés. Un amorceur bifonctionnel, le poly(éthylène-co-butylène)-(SG1)2 (SG1 = groupe nitroxyde), permit par la suite de synthétiser des copolymères triblocs S-My-S ayant une plus haute masse molaire moyenne Mn = 56-66 kg.mol-1 et une plus grande extensibilité (σB < 0,8 MPa, εB < 200%). Les segments PS furent remplacés par des segments ayant une température de transition vitreuse (Tg) plus élevée, à savoir des blocs poly(méthacrylate d’isobornyle) P(IBOMA) afin d’augmenter la résistance mécanique et la température de service du TPE candidat. Des triblocs de type IBOMA-My-IBOMA, dont les domaines furent micro-structurés, montrèrent de meilleures propriétés mécaniques (σB = 3,9 MPa, contrainte à la limite d’élasticité σY = 5,0 MPa, εB = 490%) et une température de service maximale d’environ 140 oC. Toutefois, ces TPE à base de My ne satisfirent pas le cahier des charges industriel à température ambiante, ce qui nous poussa à substituer le bloc flexible P(My) par du poly(isoprène) PI, ayant une masse molaire d’enchevêtrement bien plus faible. Des macro-amorceurs 1,4-PI bien définis et actifs furent d’abord étendus avec du styrène, ce qui permit d’obtenir des triblocs S-I-S auto-assemblés (Mn = 95-109 kg.mol-1, fraction molaire en styrène FS = 0,30-0,49, dispersité Đ = 2,11-2,29). σB = 4,1 ± 0,2 MPa et εB = 380 ± 60 % furent mesurés pour un S-I-S ayant FS = 0,38. Un tribloc de type IBOMA-I-IBOMA fut par la suite synthétisé (Mn = 94 kg.mol-1, Đ = 1,76, FIBOMA = 0,35) et montra de meilleures propriétés en contrainte-déformation (σB = 11,4 ± 0,6 MPa, εB = 1360 ± 210 %). / The aim of this study was to produce a novel thermoplastic elastomer (TPE), used as a tough and stable joining between composite matrices. Having typically thermo-reversible crosslinks, TPE can be processed as thermoplastics and exhibit elastic behavior similar to that of chemically crosslinked elastomers in a certain temperature range. Nitroxide-mediated polymerization (NMP) was selected to synthesize linear styrenic block copolymer TPE. \uD835\uDEFD-Myrcene (My) was first considered to manufacture the soft elastomeric segment poly(\uD835\uDEFD-myrcene) P(My) (glass transition temperature Tg ~ − 77 oC). NMP of My at 120 oC in bulk using succinimidyl ester-functionalized BlocBuilderTM alkoxyamine (NHS-BB) was well-controlled, allowing styrene (S) chain-extension from cis-1,4-P(My) macroinitiator. The resulting P(My-b-S) diblock copolymers, exhibiting relatively low number-average molar mass (Mn < 50 kg.mol-1), showed limited stress-strain behavior (ultimate tensile strength σB < 1.1 MPa, elongation at break εB < 16%). Meanwhile, the introduction of functional groups into the soft segment was implemented to subsequently aid the adhesive bonding / welding process between the TPE and the considered polar thermoplastic composites. Well-tailored epoxide functionalized P(My) were thereby synthesized by My/glycidyl methacrylate (GMA) nitroxide-mediated copolymerization. BlocBuilder-terminated poly(ethylene-co-butylene)-(SG1)2 (SG1 = chain-end nitroxide group) difunctional initiator was used to produce S-My-S triblock copolymers with Mn = 56-66 kg.mol-1, which exhibited improved extensibility (σB < 0.8 MPa, εB < 200%). Poly(styrene) PS blocks were then substituted by higher Tg blocks, namely poly(isobornyl methacrylate) P(IBOMA) to enhance the toughness and the service temperature of the candidate TPE. Micro-phase separated IBOMA-My-IBOMA type triblocks exhibited improved mechanical properties (σB = 3.9 MPa, yield strength σY = 5.0 MPa, εB = 490%) associated with an extended upper service temperature of about 140 oC. However, My-based TPE did not satisfy the ArianeGroup mechanical requirements at room temperature, which prompted us to replace P(My) by poly(isoprene) (PI), which has much lower entanglement molar mass compared to P(My). Well-defined and active 1,4-PI-(SG1)2 macroinitiators were first chain-extended with S, leading to self-assembled S-I-S triblocks (Mn = 95-109 kg.mol-1, molar fraction of S in the copolymer FS = 0.30-0.49, dispersity Đ = 2.11-2.29). With FS = 0.38, S-I-S showed σB = 4.1 ± 0.2 MPa and εB = 380 ± 60 %. IBOMA-I-IBOMA type copolymer was then produced (Mn = 94 kg.mol-1, Đ = 1.76, FIBOMA = 0.35) and improved stress-strain properties were obtained at room temperature (σB = 11.4 ± 0.6 MPa and εB = 1360 ± 210 %). Lastly, hydrogenation of I-based block copolymers was performed at normal pressure and resulted mostly in an enhanced thermal stability, a greater tensile stress at break and a reduced elongation at break.

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