La polymérisation amorcée sous rayonnement ionisant est un procédé hors-autoclave prometteur pour la fabrication de structures de matériaux composites à hautes performances. Les faisceaux d’électrons en particulier peuvent amorcer les processus de polymérisation radicalaire de monomères à base acrylate. Cependant, les matériaux composites obtenus présentent une faiblesse au niveau des propriétés transverses et en particulier dans le sens perpendiculaire aux fibres de carbone. L’objectif de ce projet de recherche vise à améliorer les performances transverses de ces composites par le biais d’une modification de la surface des fibres de carbone. Cet objectif doit être atteint en premier lieu par la réalisation d’une étude de l’influence de la chimie présente à la surface des fibres de carbone sur la polymérisation amorcée sous rayonnement ionisant des matrices de ces composites. Nous avons cherché à comprendre comment la polymérisation intervenant à l’interface fibre / matrice pouvait être influencée et ainsi proposer une solution de modification de surface permettant de diminuer ou de contrer les effets inhibiteurs identifiés et quantifiés. Ensuite, l’objectif doit être atteint par la formulation et la mise au point à l’échelle laboratoire et pré-industrielle de solutions d’ensimage de fibres de carbone afin de permettre l’amélioration de la qualité de l’interface fibre / matrice par la création d’une interphase chimique et en particulier par la création d’une chimie covalente. Nous avons mis au point deux familles de formulations d’ensimage dont une s’est avérée compatible avec les procédures industrielles de traitement d’ensimage sur fibre de carbone. Finalement, la mise en émulsion à base aqueuse de ces formulations a permis d’améliorer le niveau d’industrialisation de la solution de modification de surface et la réalisation de matériaux démonstrateurs a démontré l’amélioration des performances. / Polymerization under high energy radiation is a promising alternative to autoclave processing for manufacturing high-performance composite materials. Electron beam can initiate free radical polymerization processes of acrylate-based matrix. However, the comparison with state-of-the-art thermally cured composites reveals the lower transverse mechanical properties of radiation-cured composites. The aim of this project was to improve the transverse mechanical properties of these radiation-cured composites by a surface modification of carbon fiber. We have investigated several points related to these issues, and particularly we have inquired about the influence of the chemistry present at the surface of the carbon fiber on the polymerization step initiated under irradiation curing. We tried to have a better understand on their influence on the polymerization and on the curing process based on radiation-induced free radical chemistry. Then, the next step deals with the formulation of a surface modification treatment applied by sizing in order to improve the interface quality with the creation of an interphase and even better a covalent link between the fiber and the matrix. We worked on the compatibility of this formulation with the industrial process and we propose aqueous and non-aqueous-based emulsion processes to apply the surface treatment. Finally, demonstrator materials were manufactured and the mechanical properties in the fiber transverse direction were measured. The obtained results illustrate the efficiency of our surface modification solution on the mechanical performance of acrylate-based radiation cured composites.

The overall thrust of this dissertation is to gain a comprehensive understanding over the factors that govern the performance and behavior of ultra-thin, cross-linked polymer films. Poly(NIPAAm) was used as a model polymer to study volume phase transition in surface tethered networks. Poly(NIPAAm) undergoes a reversible phase transition at approximately 32°C between a swollen hydrophilic random coil to a collapsed hydrophobic globule state, thought to be caused by increased hydrophobic attractions between the isopropyl groups at elevated temperatures. We present a simple photochemical technique for fabricating structured polymer networks, enabling the construction of responsive surfaces with unique properties. The approach is based on the photo-cross-linking of copolymers synthesized from N-isopropylacrylamide and methacroyloxybenzophenone (MaBP). In order correlate layer swelling to the MaBP content, we have studied the swelling behavior of such layers in contact with aqueous solutions with neutron reflection. The cross-linked networks provide a three-dimensional scaffold to host a variety of functionalities. These networks serve as a platform which can be used to amplify small local perturbations induced by various stimuli like temperature, pH, solvent, ionic strength and peptide modified hydrogels to bring about a macroscopic change. Neutron reflection experiments have shown that the volume-phase transition of a surface-tethered, cross-linked poly(NIPAAm) network coincided with the two-phase region of uncross-linked poly(NIPAAm) in solution. Parallel measurements with ATR-FTIR investigating the effect of temperature, pH and salts suggest that the discontinuous transition is the result of cooperative dehydration of the isopropyl groups, with water remaining confined between amide groups in the collapsed state as weakly hydrogen bonded bridges. Hybrid polymers with specific peptide sequences have shown specific response to external cues such as pH and metal ions exhibiting unique phase behavior.

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L’objectif de ces travaux a été de développer des vernis acrylate photo-polymérisables à 100% d’extrait sec, destinés à protéger des pièces thermoplastiques en polycarbonate contre les endommagements mécaniques, en particulier contre la rayure. Les relations entre la composition, la structure et les propriétés de ces revêtements ont été explorées. Pour ce faire ont été étudiées la morphologie, les propriétés thermomécaniques ainsi que la résistance à la rayure des matériaux. Cette dernière a été évaluée par des tests de micro-scratch. La cinétique de formation des réseaux polymères a elle aussi été étudiée, par photo-DSC. Tous les matériaux étudiés présentent, en analyse thermomécanique dynamique, un module élevé à l’état caoutchoutique ainsi qu’une large relaxation mécanique. Un vernis pétro-sourcé à 100% d’extrait sec, qualifié de standard, a servi de point de départ à ces travaux. Il a tout d’abord été comparé à un vernis commercial solvanté photo-polymérisable, spécialement conçu pour la protection de pièces thermoplastiques. Celui-ci s’est avéré être plus efficace en termes de résistance à la rayure. Dans un deuxième temps, a été étudiée l’influence sur les propriétés du vernis standard pétro-sourcé d’un monomère multicyclique entrant dans sa composition. La modification de son pourcentage n’a permis d’apporter aucun bénéfice en termes de résistance à la rayure. Des nanoparticules de silice, d’alumine ou de zircone, disponibles sous forme de dispersion dans un monomère acrylate, ont ensuite été incorporées dans le vernis standard pétro-sourcé. Une organisation particulière de la nano-silice et de la nano-alumine au sein des matériaux étudiés a pu être observée par microscopie électronique en transmission. Il a été constaté que le taux de charge doit être élevé pour observer une augmentation du module élastique et une amélioration de la résistance à la rayure du vernis (≥15% massique dans le cas de la nano-silice). Par ailleurs, l’ajout de 5% massique de nano-silice dans le vernis n’a conduit à aucune modification de sa cinétique de photo-polymérisation. Enfin, une partie des composés acrylate pétro-sourcés du vernis standard a été substituée par des acrylates bio-sourcés disponibles industriellement. La cinétique de photo-polymérisation des deux types de vernis est similaire. Les conclusions de la comparaison entre les vernis bio-sourcés et le vernis standard pétro-sourcé en termes de résistance à la rayure dépendent de l’épaisseur des revêtements étudiés. L’ajout d’un composé monoacrylate bio-sourcé à la formulation des vernis tend à améliorer la recouvrance élastique des revêtements de faible épaisseur. L’acrylate d’isobornyle est en particulier intéressant, car il a aussi tendance à retarder l’apparition des craquelures au cours de la rayure. / The aim of this work was to develop 100% solids photo-polymerizable acrylate coatings, intended to protect thermoplastic pieces made of polycarbonate against mechanical damage, in particular scratches. The relationships between the composition, the structure and the properties of these coatings were examined. For this purpose the morphology, the thermomechanical properties and the scratch resistance of the materials, assessed by micro-scratch tests, were studied. The kinetics of the polymer network formation was also studied by photo-DSC experiments. All the materials feature a high elastic modulus and a broad mechanical relaxation in dynamic thermomechanical analysis. A 100% solids petro-based coating (standard) constituted the starting point of this work. First it was compared to a commercial photo-polymerizable coating containing solvents, specially designed to protect thermoplastic pieces. This commercial coating turned out to be more efficient against scratches. In a second time was studied the influence of the percentage of a multicyclic monomer, taking part in the composition of the standard petro-based coating, on the properties of the latter. The modification of its proportion does not bring any advantage concerning the scratch resistance. Silica, alumina and zirconia nanoparticles, dispersed in an acrylate monomer, were then incorporated in the standard petro-based coating. A particular organization of the silica or alumina nanoparticles in the materials could be observed by transmission electron microscopy. A high filler content is required to observe an increase in the elastic modulus and an enhancement of the scratch resistance of the coating (≥15% by weight for the nano-silica). Moreover, no change of the photo-polymerization kinetics was noticed through the addition of 5% by weight of nano-silica in the coating. Finally, some of the petro-based acrylate compounds of the standard coating were substituted by commercially available bio-based acrylate monomers. Both types of coatings feature similar polymerization kinetics. The conclusions concerning the comparison of the scratch resistance of the bio-based and standard petro-based coatings depend on their thickness. The incorporation of a bio-based monoacrylate compound in low thickness coatings tends to improve the elastic recovery. Isobornyl acrylate is particularly interesting since it also tends to delay the apparition of cracks along the scratch.

Ce mémoire de thèse s’intéresse aux phénomènes d’adhésion dans des composites à matrice thermoplastique obtenus par polymérisation radicalaire de mélanges réactifs. Après une courte introduction bibliographique sur les thématiques d’adhésion et d’adhérence, les propriétés générales des principaux éléments constitutifs des assemblages finaux sont étudiées séparément pour discuter de leur pertinence en vue d’une application composite. Une attention particulière est portée sur les systèmes réactifs acryliques à l’état liquide. L’étude se concentre ensuite sur les mécanismes réactionnels et l’évolution des propriétés des systèmes réactifs lors de la polymérisation. Ces problématiques sont de première importance pour anticiper les mécanismes gouvernant l’adhésion dans les composites obtenus mais aussi pour appréhender les potentielles problématiques à venir lors des étapes de mise en forme. Enfin, une étude est spécifiquement dédiée au cas de l’adhésion entre matrice acrylique et fibres de verre dans des composites à fibres de renfort continues. Les propriétés à l’interface verre/acrylique ont été évaluées à l’échelle microscopique dans des systèmes modèles et à l’échelle macroscopique dans des composites unidirectionnels, c'est à dire pouvant les défauts d’adhésion générés lors de la mise en forme. L’ensemble de ces résultats permet de se positionner quant à l’utilisation de solutions acryliques thermoplastiques pour des applications composites structuraux. / These PhD research works focus on adhesion phenomena involved in thermoplastic composites based on acrylic matrices obtained by free radical polymerization. After a short bibliographic section introducing some basics on adhesion phenomena and practical adhesion measurements, properties of elementary constituents are assessed to discuss their relevancy for composite applications. Special attention is paid to acrylic reactive systems and properties of acrylic resins at liquid state. Then, the reaction mechanisms involved in free radical polymerization are detailed. The changes in acrylic system properties during polymerization are investigated to anticipate further processing-related issues. At last, a study is dedicated to the assessment of interfacial adhesion between glass fiber and acrylic matrices in fiber reinforced composites. Interfacial properties are characterized at microscale in model systems and at macroscale in real-sized composites, i.e. integrating process-induced defects. From overall results, the relevancy of acrylic thermoplastic solutions for structural composite applications is discussed.

Le contexte environnemental actuel conduit les constructeurs automobiles à diminuer les émissions globales de CO2. Afin de répondre à cet objectif, plusieurs voies sont accessibles mais l’allègement de la structure du véhicule apparaît comme la solution la plus prometteuse grâce à la substitution des pièces métalliques par des matériaux composites et plus particulièrement des composites thermoplastiques à matrices acryliques. Cette étude s’est donc intéressée à développer et caractériser plusieurs formulations à base acrylique afin d’identifier les différents leviers (choix du monomère / condition de polymérisation) permettant d’atteindre une polymérisation rapide (< 3 à 5 min) adaptée aux hautes cadences de l’industrie automobile. Le moulage par transfert de résine (RTM) ayant été choisi comme procédé de mise en œuvre, une seconde étape de travail a été de caractériser l’évolution de la viscosité au cours de la polymérisation. En disposant des mesures cinétiques et rhéologiques, il a aussi été possible, par modèle inverse, de proposer un suivi in-situ de la polymérisation via la corrélation des données par des mesures diélectrométriques. Puis, dans une optique d’amélioration de la tenue chimique du PMMA, la synthèse d’un polymère réversible présentant alternativement une structure tridimensionnelle et une structure linéaire a été réalisée. Ainsi, grâce à la préparation d’un comonomère présentant des fonctions Diels-Alder, il a été possible d’obtenir un polymère ayant la capacité d’emprunter les propriétés de résistance chimique des réseaux thermodurcissables tout en conservant l’aptitude à la transformation des thermoplastiques. Enfin, une dernière étude s’est portée sur le renforcement du PMMA par mélange avec différents polymères. Ainsi, grâce à un choix judicieux de polymères présentant des caractéristiques physico-chimiques intéressantes, il a été possible d’améliorer significativement la tenue en température mais également la résistance au choc de la matrice acrylique développée. / Nowadays, polymer matrix composites are widely used for aerospace, automotive, railway and sport industries. For similar structural properties, these materials coul be very attractive since they could be 30 to 40% lighter than metallic counterparts. In the current context of environmental development issues, thermoplastic-based composites, (in our case acrylic matrix based one), can be considered as they can be easily recycled as opposed to thermoset-based ones. Furthermore, they could exhibit good mechanical properties, i.e. stiffness and impact resistance, enabling them to be relevant for many applications. Manufacturing structural composites requires to produce parts without defects having complex geometries. For this purpose Resin Transfer Molding (RTM) has been selected to process such composites. Indeed, it corresponds to a low temperature closed-mold process allowing for manufacturing complex continuous fiber-based-reinforced parts. However, it requires precursors with a very low viscosity (η < 1 Pa.s) to ensure a good impregnation of the dry preform. To be cost effective, fast reactive systems have also to be selected. Thermoplastic polymers which own a very high viscosity in molten state cannot be directly used. Our strategy is to design an acrylic-based reactive formulation exhibiting a very low initial viscosity, i.e. about 100 mPa.s and which can subsequently polymerizes via a free radical mechanism once the mold is filled and the preform fully impregnated. Therefore, our main objective is to optimize curing conditions (especially thermal initiator ratios and temperature) of RTM-compatible acrylic-based reactive formulations to lead to suitable composite parts with high conversion rate, low residual monomer content and relevant process cycles.