Le monde des matériaux polymères fait face à de nombreux défis environnementaux car les ressources qu'il utilise ne sont généralement pas renouvelables. Une façon de pallier ce problème est de combiner des fibres naturelles renouvelables avec des polymères. Il faut cependant assurer une bonne adhérence interfaciale entre les deux phases afin de produire de bons composites. Les techniques existantes pour ce faire ont des limites d'implantation à grande échelle ou utilisent des substances possiblement dommageables pour l'environnement. Une solution qui pourrait permettre de résoudre ces problèmes est proposée dans le présent travail de recherche: l'extrusion à froid. Les facteurs suivants ont été testés sur les composites produits: la concentration de polymère et de fibres, la taille des fibres, le séchage des fibres et la configuration des vis de l'extrudeuse. Afin de vérifier l'efficacité relative de l'extrusion à froid, une technique de compatibilisation appliquée sur les fibres et reconnue comme efficace a été effectuée sur certains échantillons pour comparer son effet à celui de l'extrusion à froid: le traitement en solution et l'ajout d'agent couplant. Des échantillons ont aussi été produits par extrusion à chaud (état fondu) sans compatibilisation afin de comparer l'extrusion à froid avec l'absence de traitement (échantillon de contrôle). Les analyses effectuées sur les fibres traitées ont montré que le traitement standard a été efficace, mais les analyses morphologiques effectuées sur les composites ont montré que l'extrusion à froid ne permettait pas de compatibiliser le polymère et les fibres. Les analyses mécaniques ont montré que l'extrusion à froid n'apportait que très peu de différence aux propriétés mécaniques, comparativement au traitement fait sur les fibres. On peut donc conclure que cette technique,sous sa configuration actuelle,ne permet pas de compatibiliser les phases présentes et plus de travail est nécessaire pour améliorer les résultats obtenus. / The world of polymeric materials is facing several environmental challenges since the resources its using are generally non-renewable. One way to alleviate this problem is to mix natural fibers with polymers. The problem that needs to be solved to produce good composites based on polymers and natural fibers is their lack of interfacial adherence. The existing techniques to achieve this have limitations regarding their large-scale implementation or use chemicals that are potentially harmful to the environment. A potential solution to solve these problems is explored in this research work: cold extrusion. These factors were tested on the composites produced: the concentration of polymer and fiber, the fibers size, fiber drying and screw configuration of the extruder. To assess the efficiency of cold extrusion, a compatibilization technique was also applied to the fibers (solution treatment and coupling agent addition) and tested on some samples to compare its effect compared to that of cold extrusion. Some samples were also produced by standard hot (melt) extrusion without compatibilization to compare cold extrusion to the case without treatment (control sample). The analysis performed on the treated fibers showed that the fiber treatment was effective, but a morphological analysis performed on the composites showed that cold extrusion did not yield a compatibilization between the polymer and the fibers. Mechanical analysis showed that cold extrusion led to very little change in the mechanical properties as compared to the fiber treatment. It can be concluded that this technique,under its current configuration,does not compatibilize these phases and more work is needed to improve on these results.

Avec les émissions de gaz à effet de serre contribuant aux changements climatiques, les technologies de capture du CO₂ commencent à gagner en intérêt. Les contacteurs à membranes sont une alternative prometteuse aux contacteurs conventionnels pour l'absorption gaz-liquide du CO₂, permettant d'éviter les complications liées à la dispersion des phases tout en bénéficiant d'une modularité, d'un contrôle indépendant des débits de liquide et de gaz et d'une surface de contact plus élevée. Les deux inconvénients majeurs des contacteurs à membranes incluent l'usage de solvants coûteux et toxiques lors de la fabrication des membranes, ainsi que le potentiel de mouillage qui interfère avec l'absorption en augmentant la résistance au transfert de matière. Afin de remédier à ces deux obstacles, une méthode d'extrusion par fusion avec lessivage de sel a été développée dans notre groupe de recherche pour la fabrication de membranes à fibres creuses microporeuses hydrophobes, n'utilisant que du sel et de l'eau pour la formation des pores tout en générant une surface rugueuse et hydrophobe. L'objectif principal de ce projet est d'investiguer l'application de ce procédé d'extrusion par fusion avec lessivage de sel pour la fabrication de membranes planes. Les membranes ont été extrudées sous différentes conditions, en variant le type de polymère, la teneur en sel à l'alimentation, la méthode de d'alimentation, la méthode de figeage, la vitesse de rotation des vis et la vitesse de tirage à la sortie de l'extrudeuse. Lors de la fabrication des membranes, le contrôle de la structure poreuse est un défi important car le sel peut être sujet à des agglomérations. Toutefois, le cisaillement par la rotation des vis lors de l'extrusion et la désagglomération du sel par broyage peuvent aider à limiter les irrégularités dans la structure poreuse. Due à l'ajustabilité limitée de la filière utilisée pour l'extrusion, l'épaisseur des membranes a dû être ajustée en étirant les membranes à la sortie de l'extrudeuse, ce qui a comme effet secondaire d'altérer les propriétés de surface, menant à des angles de contact(105 à 115°) et des rugosités moyennes (20 à 150 nm) plus faibles que prévu. Par conséquent, l'usage d'une filière adaptée pour l'extrusion à des épaisseurs inférieures à 0,2 mm est recommandé pour la suite des travaux afin d'obtenir des membranes plates aux épaisseurs voulues et sans détériorer les propriétés de surfaces.

Ce travail consiste en la mise au point d'une méthodologie simplifiée, utilisable industriellement, de réalisation virtuelle de procédés en formage de pièces massives avec la prise en compte de l'endommagement. Ceci permettra de prévoir l'apparition de l'endommagement ductile en cours de formage des pièces. On pourra agir sur les paramètres technologiques pertinents du procédé afin de retarder cet endommagement pour obtenir des pièces saines, ou au contraire favoriser celui-ci afin de simuler des procédés de coupe. Une formulation théorique générale du couplage comportement-endommagement est introduite, prenant en compte une loi d'évolution de l'endommagement ductile. Sur le plan numérique un soin particulier a été apporté à l'intégration locale des équations d'évolution couplées. Deux modèles sont proposés et discutés en détails: le couplage « fort » et le couplage « faible ». L'algorithme d'intégration utilisé est implicite et utilise une méthode classique de prédiction élastique-correction plastique pour le calcul des incréments des variables internes par un schéma de Newton-Raphson. Le calcul de la matrice tangente consistante prend en compte l'influence de l'endommagement ductile. Pour valider cette méthodologie, une large gamme de procédés dont certains sont issus de l'industrie, tels que le découpage de tôle, la compression de cylindres, le forgeage et l'extrusion d'un croisillon, la mise en forme d'un écrou six-pans, le filage,… est présentée, et comparée avec des essais expérimentaux quand cela est possible. La capacité de cette méthodologie à prédire correctement l'initiation et la propagation de l'endommagement en mise en forme est clairement démontrée

Dans ce projet de doctorat, des membranes microporeuses (fibres creuses) et hautement hydrophobes à base de polyéthylène basse densité (LDPE) pour utilisation dans la capture du CO2 dans des contacteurs gaz-liquide à membrane (GLMC), ont été fabriquées en utilisant une nouvelle méthode simple, sans solvant ou diluants, autant écologique qu’économique, et qui ne nécessite aucun post-traitement mécanique ou thermique. Pour produire des fibres creuses et contrôler leur porosité, on combine deux techniques, l’extrusion et le lavage de sel. Un mélange de LDPE et de particules de NaCl de différentes concentrations en sel conduit à la production des fibres (par extrusion) qui sont ensuite immergées dans l’eau pour éliminer le sel emprisonné dans le polymère et obtenir autant une structure microporeuse qu’une surface rugueuse hautement hydrophobe. La nouvelle méthode constitue une alternative très prometteuse aux méthodes actuellement utilisées pour la fabrication des membranes hydrophobes, principalement basées sur un processus d'inversion de phase qui implique des solvants toxiques et coûteux. Les membranes fabriquées ont été caractérisées en termes de morphologie, densité, porosité et distribution de taille des pores, hydrophobicité, pression de percée et propriétés mécaniques. Comme le phénomène de mouillage des membranes en contact avec les solutions absorbantes est la cause principale de la réduction de l’efficacité des GLMC à long terme, une étude approfondie sur la compatibilité membrane/liquide absorbant a été réalisée. La stabilité morphologique, chimique et thermique des membranes en contact avec différentes solutions aqueuses d'alcanolamines à base de monoéthanolamine (MEA) et 2-amino-2-hydroxyméthyl-1,3-propanediol (AHPD), ainsi que des mélanges MEA/PZ (pipérazine) et AHPD/PZ, a été investiguée en détail. / In this work, highly hydrophobic low density polyethylene (LDPE) hollow fiber membranes aiming to be used for CO2 capture in gas-liquid membrane contactors (GLMC) were fabricated using a simple, novel method, without solvent or diluents, economic and environmentally friendly, which does not require any mechanical or thermal post-treatments. In order to produce hollow fibers and control their porosity, the process combines melt extrusion and template-leaching techniques. A mixture of LDPE and NaCl particles first produce blends with different salt contents. A microporous structure and a rough highly hydrophobic surface can then be produced by leaching the salt particles from the hollow fiber matrix via immersion in water. The new method represents a very promising alternative to conventional membrane fabrication approaches which are mainly based on phase inversion process that involves toxic and expensive solvents. The fabricated membranes were characterized in terms of morphology, density, porosity and pore size distribution, hydrophobicity, breakthrough pressure and mechanical properties. Since the phenomenon of membrane wetting by liquid absorbents is the major cause of the reduction of long-term efficiency of GLMC, a comprehensive study on the compatibility between membrane and absorbent liquid was performed. Morphological, chemical and thermal stability of LDPE membranes in contact with different aqueous alkanolamine solutions including monoethanolamine (MEA) and 2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol (AHPD), as well as blends of MEA/PZ (piperazine) and AHPD/PZ, was investigated in detail.

L’objectif du vaste projet de recherche dans lequel s’inscrit ce mémoire est de guérir le diabète de type 1 en fabriquant un pancréas bioartificiel vascularisé contenant des cellules bêta (i.e. les cellules sécrétant l’insuline). Ce dispositif permettrait de rendre aux personnes atteintes par le diabète de type 1 la capacité de sécréter par elles-mêmes de l’insuline et de réguler leur glycémie. La vascularisation est actuellement un enjeu de taille dans le domaine du génie tissulaire. La plupart des tissus incorporant des cellules générées par le génie tissulaire sont actuellement fortement limités en épaisseur faute d’être vascularisés adéquatement. Pour les tissus dont l’épaisseur dépasse 400 μm, la vascularisation est nécessaire à la survie de la plupart des cellules qui autrement souffriraient d’hypoxie, les empêchant ainsi d’accomplir leurs fonctions [1]. Ce mémoire présente le développement et la mise en service d’un dispositif d’extrusion tridimensionnelle de sucre vitrifié pour la vascularisation d’un pancréas bioartificiel. Ce dispositif a été développé au laboratoire de recherche sur les procédés d’impression 3D ainsi qu’au bureau de design du département de génie mécanique de l’Université Laval. Grâce à cette technique d’impression 3D novatrice et à la caractérisation du procédé, il est maintenant possible de produire rapidement et avec précision des structures temporaires en sucre vitrifié pour la fabrication de réseaux vasculaires tridimensionnels complexes. Les structures temporaires peuvent, après leur production, être utilisées pour réaliser le moulage rapide de constructions vascularisées avec des matériaux tels que du polydiméthylsiloxane (PDMS) ou des hydrogels chargés de cellules biologiques. De par la nature du matériel utilisé, les moules temporaires peuvent être facilement et rapidement dissous dans une solution aqueuse et laisser place à un réseau de canaux creux sans créer de rejets toxiques, ce qui représente un avantage majeur dans un contexte de bio-ingénierie. / The overall goal of this broad research project, within which this master project took place, is to cure type 1 diabetes. We aim to produce a vascularized bioartificial pancreas that would be made of beta cells embedded in a hydrogel (i.e. insulin secreting cells). This organ would restore to type 1 diabetics the self-capacity to secrete insulin, thus to control in real time their glycaemia. Vascularization is currently a major issue in the field of tissue engineering. Most tissues produced by TE are limited in thickness due to the lack of adequate vasculature. To engineer a tissue thicker than 400 μm, vascularization is mandatory for most of the cells to survive [1]. The lack of adequate vascularization leads to hypoxia and hinders cells to fulfill their functions. This thesis presents the development and the commissioning of a 3D sugar glass extrusion apparatus for the vascularization of a bioartificial pancreas. This apparatus was developed at the “laboratoire de recherche sur les procédés d’impression 3D” and at the “bureau de design” in the mechanical engineering department of Université Laval. With this pioneering 3D printing technology, it is now possible to rapidly and precisely produce temporary sugar glass template that can then be used to produce complex 3D vascular networks. After the printing process, the temporary template is used as a mold for the rapid casting of vascularized constructs made with materials such as polydimethylsiloxane (PDMS) or cellladen hydrogels. Due to the nature of the material used, the temporary lattices can be dissolved in an aqueous medium without releasing any cytotoxic byproducts and in a fast and easy fashion. This feature is a major advantage in the context of bioengineering.