Orientador: Fabio Augusto / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-04T16:10:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_RaquelGomesdaCosta_M.pdf: 2725008 bytes, checksum: e8824bf816d759438897ef63e8688a9d (MD5) Previous issue date: 2005 / Mestrado / Quimica Analitica / Mestre em Química

Ce manuscrit est consacré à la synthèse par procédé sol-gel et à la caractérisation de matériaux monolithiques de silice hybrides pour les techniques séparatives miniaturisées : nano-chromatographie en phase liquide (nano-CPL), électrochromatographie capillaire (ECC) et microsystèmes séparatifs. La partie bibliographique situe les axes de développement récents des techniques séparatives : l’augmentation de l’efficacité par unité de temps, l’augmentation de la capacité de pics et la miniaturisation de ces techniques. Après un descriptif détaillé de l’évolution des techniques séparatives lors de ces dernières années, une attention particulière est portée sur les phases stationnaires monolithiques à base de silice. Enfin, une étude approfondie des différentes fonctionnalisations de ces monolithes de silice met en évidence l’intérêt porté aux monolithes de silice hybrides en termes de simplification du protocole de synthèse. La partie expérimentale est ainsi axée sur le développement et la caractérisation de ces monolithes de silice hybrides dédiés à la chromatographie à polarités de phases inversée. Dans un premier temps, la synthèse de monolithes de silice hybrides C3 illustre la possibilité de synthétiser par voie sol-gel (100% aqueux) un monolithe de silice fonctionnalisé et performant en une seule étape (« one pot »). Dans un second temps, ce type de procédé est employé et optimisé afin de synthétiser des capillaires monolithiques de silice hybrides C8 présentant des performances équivalentes à leurs homologues C8 préparés en deux étapes (synthèse puis greffage) et comparables à des colonnes particulaires (d particules 5 μm) / This manuscript is dedicated to the synthesis (via sol-gel process) and caracterization of hybrid monolithic silica for miniaturized separation techniques : nano-liquid chromatography (nano-LC), capillary electrochromatography (CEC) and microchips. The bibliography part deals with the recent axis of development of these separatives techniques : increase of efficiency per time unit, increase of peak capacity and miniaturisation of these techniques. After an overview of this evolution, the manuscript is focused on the silica monolithic stationnary phases. Finally, a detailed study on the different kinds of protocol fonctionnalization of these silica monoliths highlights the advantage of simplifying the synthesis using a single step protocol (« one pot »). The experimental part is also focused on this kind of single step protocol so as to synthesize hybrid silica monoliths dedicated to the reversed phase mode in chromatography. First, the synthesis of hybrid C3 silica monoliths shows the ability to synthesize a functionnalized silica monolith via a single step sol gel process (« one pot »). Then, this kind of process is used and optimized in order to synthesize a hybrid C8 silica monolithic into capillaries. These stationary phases allowed reaching performances similar to those synthesized in two steps (sol-gel process and grafting) and to the particulate columns (5 μm).

Nous étudions différentes stratégies de stabilisations de mousses aqueuses faisant intervenir des fluides complexes. Nous présentons tout d'abord le cas d'une mousse générée à partir d'une suspension d'agrégats de particules de latex, obtenues par mélange de celles-ci avec un tensioactif de charge opposée. Nous montrons que si le cisaillement appliqué pendant le moussage est suffisant, les agrégats peuvent s'assembler autour des bulles, et former entre celles-ci un réseau percolé, rendant la mousse ultra-stable. Nous réalisons ensuite des mousses avec un gel physique viscoélastique, en utilisant un procédé de moussage séquencé : nous mixons d'abord une solution de polymère pour incorporer l'air, puis nous introduisons un réticulant réversible de ce polymère, ce qui démultiplie la viscosité du fluide et des interfaces. Le drainage est alors considérablement ralentit, et les mousses fortement stabilisées. Nous montrons cependant que la quantité de réticulant que l'on peut ajouter est limitée par un certain ratio réticulant/polymère au-delà duquel les mousses deviennent instables au mixage. Nous étudions enfin le moussage d'un gel colloïdal en présence un tensioactif. Un tel gel se comporte comme un fluide à seuil : il s'écoule sous cisaillement permettant l'injection de bulles lors du mixage, et se reconstitue au repos une fois le mixage interrompu. Si les fractions d'air semblent limitées, les mousses ainsi obtenues elles sont en revanche ultra-stables. En effet, nous montrons que lorsque la contrainte seuil est suffisante, elle bloque non seulement le drainage mais aussi le mûrissement. / We investigate different strategies to stabilize aqueous foams involving complex fluids. We first report the foaming of a suspension of latex particles aggregates, generated by mixing latex particles with oppositely charged surfactant. We show that if a strong enough shearing is applied during the foaming, the aggregates can assemble around the bubbles and form between them a percolated network, providing highly stable foams. Then we elaborate foams with a viscoelastic physical gel, using a two-step process for the foaming. A polymer solution is foamed in a first step to entrap air, and then a crosslinker of the polymer is added, which strongly amplifies the fluid and the interface viscosity. Drainage is thus drastically slowed down, and the foam highly stabilized. We show however that the amount of added crosslinker has to stay below a critical crosslinker/polymer ratio to prevent foams from collapsing during the mixing. Finally, we study the foaming of a colloidal gel mixed with surfactant. Such a gel behaves as a yield stress fluid: it flows under shearing so that air bubbles can be injected during the mixing, and regenerates at rest once shearing is stopped. Although air fractions seem to remain limited, resulting foams are highly stable. We illustrate indeed that high enough yield stress may completely stop not only drainage but also coarsening.

Cette thèse présente l’écriture de motifs périodiques 1D ou 2D, sur des films sol-gel réalisés par lithographie interférométrique dynamique. Elle a pour objectif la fabrication d’éléments optiques diffractifs dont les propriétés sont utilisées dans le traitement de la lumière visible et du proche infrarouge. Les outils technologiques compatibles nécessaires à l’obtention de ces éléments optiques ont été développés durant la thèse en combinant des matériaux fonctionnels, comme le TiO2, apportés par la voie sol-gel à une technique de lithographie permettant une microstructuration directe sur de grande surface. Ces deux technologies ont été transférées du laboratoire à un équipement semi-industriel avec succès. Cette étude a été guidée par une application des réseaux de diffraction aux modules solaires photovoltaïques. Un démonstrateur de module à déflecteurs diffractant, permettant d’augmenter le rendement global du module, a été produit et testé durant la thèse : les résultats ont été comparés aux simulations effectuées en amont / This PhD thesis deals with the writing of 1D or 2D periodic patterns on sol-gel based substrates by dynamic interferometric lithography. The aim is the manufacturing of diffractive optical elements whose properties are used in the treatment of the visible light and near infrared wavelengths. Compatible technological tools for obtaining the optical elements have been developed during the thesis by combining functional materials, such as TiO2, made by the sol-gel method and a lithography technique for direct microstructuring on large area. Both technologies have been successfully transferred from the laboratory scale to a semi-industrial equipment. This study was guided by the application of diffraction gratings for photovoltaic solar modules. A demonstrator module using diffracting deflectors, in order to increase the global PV module yield, was produced and tested in the thesis and compared to simulations

Le recyclage des actinides mineurs produits en réacteur nucléaire est un point clé pour les cycles du combustible du futur. Différentes options sont ainsi envisagées : leur réintégration au sein d'un nouveau combustible « refabriqué » ou leur transmutation dans le but de réduire significativement la radiotoxicité des déchets ultimes. Dans ces deux cas de figure, la synthèse de matériaux innovants intégrant les actinides mineurs de manière homogène est nécessaire.En ce sens, les voies sol-gel présentent des avantages certains par rapport aux autres voies de synthèse (co-précipitation, métallurgie des poudres) tels que l'organisation du matériau à l'échelle colloïdale ou la création de porosité de manière contrôlée grâce à l'utilisation d'un « template ». De plus, la possibilité de travailler en milieu humide, de la solution précurseur au matériau final, permet d'éviter la formation de poudres pulvérulentes et contaminantes, point essentiel dans le cas de matériaux incorporant des éléments radioactifs. Cette thèse vise à démontrer l'adaptabilité de ce type de procédé au domaine du nucléaire. Dans un premier temps, une méthodologie de synthèse par voie sol-gel colloïdale et de caractérisation sur un système non-actif à base de zirconium a été mise en place et a permis la compréhension des mécanismes mis en jeu au cours de cette synthèse. Suite à cela, des études de mise en forme, et notamment d'insertion de porosité, ont été réalisées. Des monolithes de zircone ont de cette manière pu être obtenus grâce au couplage entre le procédé sol-gel colloïdal et la formation d'une émulsion stabilisée par des clusters de particules solides.Finalement, une transposition de ces travaux sur un système à base d'uranium a été initiée, soulevant différentes perspectives prometteuses concernant les possibilités de mise en forme du matériau final. / One of the main objectives for the future nuclear fuel cycle is the recycling of the minor actinides. Different options are considered: their integration into a new fuel for a prospect of a closed fuel cycle or their transmutation in order to significantly decrease the long-term radiotoxicity of ultimate wastes. In both cases, the synthesis of new advanced materials integrating the actinides jointly is required.Sol-gel processes allow the organization of the material at the colloidal scale or the insertion of controlled porosity using « templates ». Furthermore, the possibility to work in a « wet environment » prevents the formation of pulverulent powders which are contaminant in the case of materials incorporating radioactive elements. The main purpose of this work is to demonstrate the adaptability of this route to the nuclear field.Firstly, a methodology of synthesis from a colloidal sol-gel route was set up on a non-radioactive zirconium-based system in order to characterize and understand of the different mechanisms of this synthesis. Then, studies on shaping, including insertion of porosity, were performed. Zirconia monoliths have been obtained thanks to a coupling between a colloidal sol-gel process and the formation of an emulsion stabilized by clusters of solid particles. Finally, a transposition of this work to an uranium-based system was introduced, pointing out different promising perspectives specially concerning the possibilities of shaping of the final material.

L'objectif de ces travaux de thèse a été de développer un système de protection anticorrosion sur alliages d'aluminium 2024 en combinant le procédé sol-gel à la technique de dépôt par électrophorèse (ou EPD). Dans cette optique, nous nous sommes intéressés à l'évaluation du couplage de la technique de dépôt par EPD, technique offrant l'avantage de réaliser des dépôts à la fois épais, couvrants et homogènes en épaisseur même sur pièces complexes, au procédé sol-gel, bien connu et fortement prometteur pour développer des revêtements anti-corrosion performants. Le travail de thèse s'est focalisé sur la réalisation de dépôts par électrophorèse à partir d'un sol hydride, chargé ou non en particules de boehmite (NPs), et sur l'étude de différents paramètres électrophorétiques (paramètres à la fois liés au medium et au procédé lui-même). Nous avons ensuite cherché à connaître les propriétés des revêtements mis en forme par EPD (propriétés anti-corrosion et perméabilité des films en particulier) via des caractérisations électrochimiques (étude par Spectroscopie d'Impédance Electrochimique (SIE), électrode à disque tournant (EDT)). Ces dernières études ont été réalisées sur alliage d'aluminium 2024 (AA2024), dans un premier temps, puis sur substrat modèle (substrat inerte tel que l'or (Au)) dans le but d'évaluer la réponse électrochimique intrinsèque du revêtement. Dans un premier temps, nous avons pu obtenir par EPD et de façon répétable, des dépôts homogènes et d'épaisseurs contrôlées sur AA2024 et Au. La croissance de ces dépôts est à la fois le résultat de la migration des NPs et de l'augmentation du pH interfacial, provoqué par l'électrolyse de l'eau mais responsable, à terme, d'une redissolution du film. Ce phénomène de redissolution/décollement a pu néanmoins être limité en modulant la forme du signal électrique (application d'un potentiel périodique). Aussi, nous avons démontré que la quantité de NPs présente dans le sol précurseur joue un rôle clé dans les épaisseurs de dépôts obtenues (des épaisseurs dans la gamme 7 à 20 µm ont pu être atteintes en doublant uniquement la concentration en NPs vectrices dans le sol précurseur). En ce qui concerne le comportement électrochimique des différents systèmes mis en forme par EPD, la modélisation des spectres SIE, via le logiciel Z view, montre que les propriétés barrières des revêtements chargés tendent à se dégrader plus vite avec le temps d'immersion que pour ceux obtenus sans particules. Nous avons finalement cherché à mesurer la perméabilité des films électrophorétiques via un dispositif de type électrode à disque tournant (EDT). Les résultats obtenus ont montré que le coefficient de perméabilité kf des films électrophorétiques évolue fortement, dès les premières heures d'immersion, et augmente d'autant plus que le système est chargé en NPs. / The realisation of organic/inorganic coatings on metal substrates, prepared by sol-gel route and shaped by electrophoretic deposition (EPD), is a new combined process which has been the subject of only few studies. EPD technique offers an easy control of the thickness and morphology of the film even on substrates of complex shape, which are the main challenges for all kinds of deposition techniques used in various industrial fields. Moreover, sol-gel route has been extensively studied as a potential alternative pre-treatment to prepare a variety of materials with versatile applications from anti-corrosion to anti-wear. So, coupling these two techniques is one way to obtain both benefits on a same system. In this work, the electrophoretic deposition was performed on AA2024 from an aqueous sol suspension containing sol-gel boehmite nanoparticles (NPs). The influence of the applied voltage and deposition time on the deposit thickness was studied. The effect of the concentration of NPs, added in the precursor sol, on the thickness was also investigated. It is shown that an increase in the applied voltage and deposition time increased the thickness of the deposit film (from 2 to 11 µm). However, for a same voltage, increasing the concentration of NPs in the precursor sol, progressively increases the coating thickness (Figure 1.) and appears as a key parameter to adjust the coating thickness. Finally, it was demonstrated that a perfect control of the microstructure and the deposit thickness was achievable, thanks to both EPD parameters and sol properties. The electrochemical properties of the electrophoretic coatings are then studied by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and by rotating disk electrode and showed that the permeability of the coatings increased with the particles concentration.

Le bitume, fraction la plus lourde du pétrole brut, sert de liant de granulats dans la fabrication de revêtements routiers. Ce matériau complexe est particulièrement difficile à manipuler et à transporter du fait de sa viscosité très élevée à température ambiante. L’objectif de cette thèse a été de fabriquer une nouvelle classe de matériau, de la poudre de bitume, en couplant l’émulsification et la chimie sol-gel. En effet, des capsules organo-minérales composées d’un cœur de bitume et d’une écorce de silice ont été synthétisées à partir de deux types d’émulsions, les émulsions de Pickering ainsi que les émulsions dites « classiques »stabilisées par des tensioactifs et minéralisées par deux précurseurs de silice, un amorceur moléculaire pur, le TEOS, et une solution de silicate de sodium. Ce nouveau bitume, facilement manipulable, peut être stocké dans des conditions sévères de pression et de température et libère son cœur de bitume par association d’une action thermique et mécanique afin d’assurer ses fonctions d’enrobage. De plus, une étude du comportement interfacial bitume-phase aqueuse a été réalisée afin de proposer des hypothèses pour expliquer la stabilité fragile des émulsions de bitume que nous avons pu observer. / Bitumen, the heaviest fraction of crude oil plays the role of aggregate binder in road manufacturing. This complex material is very difficult to handle and transport due to its very high viscosity at room temperature. The aim of this PhD thesis was to elaborate a new class of material, bitumen powder, by coupling emulsion science and sol-gel chemistry. Indeed organo-mineral capsules made of a bitumen core anda silica shell have been synthesized from two types of emulsions: Pickering emulsions and "classical" emulsions i.e. surfactant-stabilized emulsions and using two silica precursors: the TEOS molecular initiator and sodium silicate solution. This new bitumen is easy to handle, can be stored in drastic pressure and temperature conditions while releasing the bitumen core under combination of heat and mechanical stirring to ensure aggregate coating. In addition a bitumen-water interface study has been performed in order to propose some hypotheses to explain the observed fragile stability of bitumen emulsions.

Le polycarbonate (PC) est un matériau polymère très répandu, fort apprécié pour sa faible densité, sa transparence, ses bonnes propriétés mécaniques et surtout pour son faible coût. Même s’il présente quelques limites essentiellement liées à sa faible résistance à l’abrasion, à la rayure et à sa dégradation dans le temps (sous UV ou hydrolyse), le PC trouve sa place dans un large spectre d’applications (bâtiment, automobile, médical, optique…). Il reste à ce jour indispensable sur ce marché car aucun autre polymère ne présente d’aussi bonnes propriétés mécaniques à prix égal. C’est dans ce contexte que ces travaux de thèse ont permis de développer une solution permettant de protéger le PC de toute agression extérieure par le dépôt d’un revêtement protecteur. L’étude s’est orientée vers le dépôt d’un film hydride organique / inorganique à base de silice, préparé par voie sol-gel, ce procédé permettant une élaboration à une température compatible avec la température de transition vitreuse du PC (Tg) (148°C). Les solutions retenues pour obtenir un revêtement performant sont basées sur la synthèse de revêtements hybrides à base d’oxydes de silicium et de zirconium. Une attention particulière a été portée sur l’augmentation de l’adhérence du film au substrat d’une part, et l’optimisation du procédé (synthèse et traitement de densification), d’autre part. Les résultats sont présentés d’un point de vue physico-chimique (IR, XRR, RMN) et mécanique (nanoindentation, adhésion et test à la rayure). / The polycarbonate is a widespread polymer material, highly appreciated for its low density, its transparency and its good mechanical properties. This material is used for divert applications (automotive, medical, optical...) and is very competitive in terms of quality and prices. However, it displays some weaknesses, essentially due to its poor abrasion and scratch resistance and its possible degradation under UV or hydrolysis. In this context, the PhD aim is to design and develop a new hybrid organic / inorganic protective coating with silica and zirconia based precursors prepared by the sol gel process, which allow a curing compatible with the polycarbonate's Tg (148°C). Here, it is discussed on the solutions retained to obtain a scratch resistant, hydrophobic and transparent coating. It is showed that, scratch resistant protective coatings can be deposited on pristine PC thanks to a performing hybrid organic / inorganic coating by modulating its bulk properties. Moreover, results demonstrate the key role played by a phenylsilane precursor in enhancing the adherence. Nanoindentation, scratch-test, NMR and FTIR analysis will be discussed.

La formation de nanostructures bien définies par autoassemblage de briques organiques a reçu de nombreuses attentions dues à leurs potentielles applications en chimie comme en biologie. Parmi toutes ces éléments organiques, les peptides et pseudopeptides font partie des plus prometteurs de par leur ressemblance aux protéines. Nous pouvons dénombrer de nombreux autoassemblages peptidiques, comme les nanotubes, les nanofibres, les vésicules, les nanosphères etc… Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la synthèse et à l’étude structurale globale des hydrazinopeptides. Grâce à leur azote supplémentaire, ces pseudopeptides bis-azotés sont capables de s’auto-assembler en de nouvelles structurations. Les 1:1[α/α-Nα-Bn-hydrazino]peptides linéaires ont démontré se structurer en hydrazinoturn et γ-turn en solution. Nous mettrons en évidence la capacité des analogues 1:1[ß/α-Nα-Bn-hydrazino]peptides linéaires à s’autostructurer en hydrazinoturn en solution, n’impliquant pas le squelette du motif ß-aminoacide. De la même manière, nous démontrerons la capacité des pseudopeptides purs hydrazino à se structurer en solution en une structure très solide formées de successions d’hydrazinoturn, observable à l’état cristallin également. Dans un deuxième temps, et dans le cadre de l’élaboration de structures nanotubulaires, nous avons étudié une série de 1:1[α/α-Nα-Bn-hydrazino]peptides cycliques, et tout particulièrement les cyclotétramères. Dans ce contexte, nous avons cherché à mettre en lumière les différents paramètres pouvant influencer l’organisation nanotubulaires dans nos macrocycles, dans le but d’élaborer la meilleure stratégie afin d’obtenir cette nanostructuration en vues d’éventuelles applications. Les différents paramètres étudiés sont les suivants : la stratégie de synthèse, la chiralité, l’orientation des chaînes latérales, et enfin l’aptitude à former des gels / The formation of nanostructures with well-defined organic brick self-assembly has received much attention due to their potential applications in chemistry and biology. Among all these organic elements, peptides and pseudopeptides are among the most promising because of their similarity to proteins. We can enumerate many peptides self-assembly, such as nanotubes, nonafibres, vesicles, nanospheres etc … In this context, we are interested by the synthesis and overall structural study of hydrazinopeptides. Thanks to the additional nitrogen, these bis-nitrogen pseudopeptides are able to self-assemble into new structuring. The 1:1[α/α-Nα-Bn-hydrazino] linear peptides showed coalesce into hydrazinoturn and γ-turn in solution. We have highlighted the ability of analogues of 1:1[ß/α-Nα-Bn-hydrazino] linear peptides to be structured in hydrazinoturn only, in solution. Similarly, we have demonstrated the ability of pure α-Nα-Bn-hydrazino pseudopeptides to be structured in a very solid solution structure formed of hydrazinoturn observable also in crystal state. Secondly, and as part of the development of nanotube structures, we have studied a serie of 1:1[α/α-Nα-hydrazino] cyclic peptides, and especially cyclotetrameres. In this context, we have sought to highlight the various parameters that may affect the organization in nanotubes, in order to develop the best strategy to achieve this potential application in nanostructuring views. The various parameters studied are: the synthetic strategy, the chirality, the orientation of side chains, and finally the ability to form gels

La demande actuelle en batteries lithium-ion « tout solide » adaptées aux applications mobiles asuscité d'importantes recherches sur des membranes électrolytes polymères de plus en plussophistiquées. Cette thèse porte sur la synthèse et la caractérisation mécanique, thermique etstructurale de nouveaux matériaux électrolytes polymères nanocomposites résultant de la réticulationpar procédé sol-gel de chaînes de poly(oxyde d'éthylène) (PEO) fonctionnalisées aux deux extrémitéspar des groupements alkoxysilane. Les nano-domaines polysilsesquioxanes ainsi formés par hydrolysecondensation,génèrent un haut degré de réticulation et jouent le rôle de nanocharges, apportant unerésistance mécanique permettant d'incorporer des quantités élevées de plastifiant. En outre, leprocédé sol-gel permet de fonctionnaliser ces nano-domaines avec des groupements de type sulfonateou perfluorosulfonate de lithium, qui fournissent des porteurs de charge Li+ de façon uniforme au seinde la membrane. De plus, l'immobilisation des anions par liaisons covalentes supprime leurcontribution à la conductivité, ce qui assure au sein de l'électrolyte (alors dit single-ion) une conductionunipolaire cationique, indispensable pour éviter ultérieurement la formation de dendrites de lithium aucours des cycles de charge et décharge. L'étude de la conductivité ionique de ces membranes, à l'étatsec ou après gonflement dans le carbonate de propylène, a conduit à une réflexion sur la dynamique ducation lithium au sein des membranes nanocomposites et sur les différentes voies envisageables pouraméliorer les performances de ces électrolytes. / The topical demand in all-solid lithium-ion batteries suitable for portable consumer electronicdevices has triggered extensive research on more and more sophisticated polymer electrolytemembranes (PEM).This PhD work deals with the synthesis and the mechanical, thermal andstructural characterization of new nanocomposite PEM arising from the sol-gel cross-linking ofPEO chains end-capped with alkoxysilane groups. Thus, the polysilsesquioxane nano-domainsformed by hydrolysis-condensation reactions form a high density of cross-links and play the roleof nanocharges, giving rise to mechanical resistance, which allows incorporating high amounts ofplasticizer. Moreover, sol-gel process allows the functionalization of these nanodomains withlithium sulfonate or perfluorosulfonate groups, which supply Li+ charge carriers homogeneouslydispersed throughout the membrane. In addition the immobilization of the anions via covalentbonds prevents them from contributing to the overall conductivity, thus ensuring a single-ionconduction, which is a compulsory condition to prevent the further formation of lithium dendriteson charge-discharge cycles. The ionic conductivity study of the membranes, in the dry state orafter swelling in propylene carbonate, was done. It led to discuss the dynamics of lithium cation inthe nanocomposite membranes and the possible ways to improve their conductionperformances.