Le présent projet vise l’étude des techniques de mise en place et du comportement mécanique en déformation permanente des matériaux de type MR5 produits par le retraitement en place des chaussées. Une revue exhaustive des guides et méthodes de mise en place a été effectuée. L’usage d’un rouleau compacteur vibrant de type pieds-de-mouton est généralement recommandé pour ces travaux et n’est toutefois pas utilisé au Québec, lors de chantier de retraitement en place. Un volet in situ du projet a permis d’étudier l’effet de ce rouleau sur le compactage d’un matériau de type MR5 et MG20, de nature granitique, par le biais de planches de référence. Ce rouleau a été comparé avec un rouleau lisse standard et un gain a été observé au niveau de l’atteinte d’une densité élevée en fond de couche. Il a aussi été observé que l’usage du rouleau en mode vibratoire procure une performance de compactage très supérieure par rapport à un compactage sans vibration. Des essais au simulateur de chargement routier de l’Université Laval ont permis d’observer la sensibilité à la déformation permanente plus élevée du matériau MR5, par rapport à un matériau usuel de fondation de type MG20. Aussi, il a été observé lors de ces essais que la présence d’un gradient vertical de densité engendre une réduction de la durée de vie d’une chaussée, principalement lorsqu’une contrainte de surface élevée est appliquée. De plus, un programme d’essais triaxiaux a permis d’observer l’effet considérable d’un faible niveau de compacité ou de la présence d’une zone sous-densifiée en fond de couche sur l’accumulation et le taux de déformation permanente d’un matériau granulaire de fondation. Ces essais ont aussi permis d’étudier la sensibilité plus élevée d’un matériau recyclé MR5, de nature granitique, par rapport à un matériau recyclé comparable, de nature calcaire.

De nos jours, la conception parasismique des structures en acier repose sur la dissipation d'énergie sismique par l'action de grandes déformations plastiques. Les cadres à diagonales ductiles confinées sont un type de système à contreventements concentriques caractérisé par des membrures qui plastifient autant en traction qu'en compression. Grâce à un mécanisme de restreinte latérale qui renferme un noyau métallique, les diagonales ductiles confinées (DDC) tirent avantage de la ductilité cyclique du matériau. Cependant, les DDC affichent fréquemment une faible rigidité après plastification, causant ainsi d'importantes déformations latérales durant un séisme. De plus, la plastification du noyau est généralement associée à un seul objectif de performance; son comportement sous d'autres intensités sismiques est donc essentiellement inconnu. Les DDC hybrides sont étudiées en tant qu'alternative aux systèmes traditionnels pour pallier leurs limitations. Le concept d'hybridité vise à maîtriser différentes caractéristiques de métaux minutieusement sélectionnés pour obtenir une réponse souhaitable. Cette étude numérique comporte trois objectifs. Les matériaux de noyaux potentiels sont d'abord évalués afin de déterminer les meilleures combinaisons de deux métaux avec des propriétés mécaniques complémentaires. L'analyse de données expérimentales indique que le comportement plastique des DDC hybrides est amélioré par l'emploi d'un acier au carbone 350WT conjointement avec un autre métal qui possède une faible limite élastique et une grande capacité d'écrouissage (p. ex. l'acier inoxydable 304L, l'alliage d'aluminium 5083-O, l'acier au carbone A36, ou l'acier LYP-100). Par la suite, deux nouvelles configurations de DDC hybrides sont conçues afin d'accueillir trois noyaux ductiles connectés en parallèle. La première option proposée comprend un mécanisme de restreinte fait de tubes en acier remplis de béton, tandis que la deuxième option est fabriquée exclusivement à partir de composantes métalliques. Finalement, plusieurs simulations par la méthode des éléments finis sont réalisées sur des modèles numériques pour valider quantitativement l'accroissement de la performance. Comparées aux DDC conventionnelles, les DDC hybrides présentent une réponse d'écrouissage améliorée, une légère augmentation de la rigidité axiale, ainsi qu'une plus grande capacité à dissiper l'énergie. / Contemporary seismic-resistant design of steel structures relies on the dissipation of earthquake energy through significant inelastic deformations. Buckling-restrained braced frames (BRBFs) are a type of concentrically-braced system characterized by braces that yield both in tension and in compression. Thanks to a restraining mechanism that confines a ductile steel core, buckling-restrained braces (BRBs) can take advantage of the cyclic ductility of the steel material. However, BRBs commonly display a low post-yield stiffness, causing substantial interstory drifts and large residual drifts after seismic events. Moreover, yielding of the core is often tied to only a single performance objective, thus making its response at other levels of seismicity largely unpredictable. Hybrid BRB solutions are explored as an alternative to the traditional BRB system to overcome its limitations. The hybrid concept is hinged on harnessing different characteristics from different materials that are carefully combined into one ductile design to achieve a desirable response. This numerical study has three main objectives. Potential core metals are first evaluated to determine the best combinations of two materials with complementary engineering properties. Analysis of experimental data indicates that the post-yield behavior of hybrid BRBs is improved by employing 350WT carbon steel in conjunction with another metal, which possesses a low-yield and high-strain-hardening capacity (e.g., 304L stainless steel, 5083-O aluminum alloy, A36 carbon steel, or LYP-100 low-yield-point steel). Afterwards, two new hybrid BRB systems are designed to accommodate the complex deformation pattern of three core plates connected in parallel. The first proposed option has a restraining mechanism made from concrete-filled steel tubes, while the second hybrid BRB option is fabricated exclusively from metal plate components. Lastly, multiple finite element simulations are carried out on numerical models to quantitatively validate the performance enhancement. Compared to conventional BRBs, hybrid BRBs exhibit an improved strain hardening response, a slight increase in axial stiffness, and a greater energy dissipation capability for an equivalent brace strength.

La production de l'aluminium primaire est réalisée par le procédé Hall-Héroult dans des cuves d'électrolyse. La cuve d'électrolyse se compose principalement de matériaux carbonés, tels que les cathodes en carbone et les anodes en coke de pétrole qui jouent le rôle d'électrodes. Les cathodes représentent le fond de la cuve d'électrolyse et elles sont disposées de manière à laisser un espace entre elles pour permettre leur expansion à haute température. Ces espaces sont remplis par un matériau carboné nommé la pâte à brasquer. Cette pâte est constituée d'agrégats d'anthracite/graphite et une matrice liante. Il existe différents types de pâte à brasquer sur le marché où, la différence principale est située dans la composition de la matrice liante. Une pâte à brasquer à base de brai de houille comme matrice liante est utilisée depuis longtemps et son comportement dans les cuves d'électrolyse est bien connu. De nouvelles pâtes ont été développées afin d'éliminer la pâte à base de brai de houille qui contient des hydrocarbures aromatiques polycycliques et qui ont un impact néfaste sur l'environnement et sur la santé. Les pâtes à brasquer de la nouvelle génération sont appelées des pâtes propres. Ces pâtes sont récentes, il y a très peu de travaux de recherche sur leurs propriétés physiques et sur l'impact de leur utilisation sur la durée de fonctionnement des cuves. Dans ce travail, nous allons étudier l'une des pâtes de nouvelle génération actuellement utilisée dans l'industrie. Les propriétés de la pâte à brasquer utilisée dans la cuve sont très importantes en termes de résistance mécanique, de conductivité électrique et de durabilité. Les caractéristiques opérationnelles de la pâte à brasquer sont liées à ses propriétés, au processus de sa mise en place et aux sollicitations qu'elle subit entre les blocs cathodiques. La densité après compaction est l'un des paramètres qui peuvent influencer considérablement le comportement thermomécanique de la pâte à brasquer. Pour révéler la relation entre la densité crue et les propriétés physiques après cuisson, une investigation expérimentale est menée à l'échelle industrielle afin d'analyser la distribution de la densité dans le joint périphérique de la cuve. Des échantillons à l'échelle laboratoire ont été fabriqués à différents niveaux de compaction, pour reproduire les densités observées dans le joint, puis cuits à 1000 °C. Les échantillons sont caractérisés pendant et après la cuisson par des tests thermogravimétriques et mécaniques. Ce mémoire présente l'objectif du projet de recherche, la méthodologie utilisée et les résultats obtenus sur la pâte à brasquer étudiée. / The production of primary aluminium is carried out by the Hall-Héroult process in electrolysis cells. The electrolytic cell consists mainly of carbonaceous materials, such as carbon cathodes and petroleum coke anodes which act as electrodes. The graphite cathodes represent the bottom of the electrolytic cell and they are arranged so as to leave a space between them to allow their expansion at high temperature. These spaces are filled with a carbonaceous material called the ramming paste. This paste consists of anthracite/graphite aggregates and a binder matrix. There are different types of ramming paste in the market where the main difference is in the composition of the binder matrix. A paste based on coal tar pitch as a binding matrix has been used for a long time and its behavior in electrolytic cells is well known. New pastes have been developed to eliminate coal tar pitch-based paste which contains polycyclic aromatic hydrocarbons and which have a negative impact on the environment and on health. The new generation of the ramming pastes are called clean pastes. These pastes are recent, there is a little research on their physical properties and the impact of their use on the life of the cell. In this work, we will study one of the new generation pastes currently used in the industry. The properties of the ramming paste used in the electrolysis cell are very important in terms of mechanical strength, electrical conductivity and durability. The operational characteristics of the ramming paste are linked to its properties, the process of its installation and to the stresses, it undergoes between the cathode blocks. The density after compaction is one of the parameters which can considerably influence the thermomechanical behavior of the paste. To reveal the relationship between green density and physical properties after baking, an experimental investigation is carried out at an industrial scale, to analyze the density distribution in the peripheral seal of the cell. Laboratory-level samples were fabricated at different compaction levels, to reproduce the densities observed in the joint, then baked at 1000 °C. The samples are characterized during and after baking by thermogravimetric and mechanical tests. This thesis presents the objective of the project, the methodology used and the results obtained on the paste to be studied.

Mémoire ou thèse en cotutelle / Les maladies du cœur et des vaisseaux sanguins sont encore aujourd'hui, les principales causes de décès dans la plupart des pays européens, au Canada et aux États-Unis. Souvent, un blocage des artères induit par une sténose entraîne la nécessité d'une chirurgie de pontage. Même si l'utilisation des veines du patient lui-même évite la réponse immunitaire et semble être la solution la plus avantageuse, elle s'avère en fait infructueuse dans un tiers des cas. Pour cette raison, des greffes vasculaires en polytétrafluoroéthylène (PTFE) sont utilisées. Elles présentent de bonnes propriétés mécaniques et une bonne stabilité mais peuvent, dans certains cas, avoir des effets secondaires indésirables et provoquer une hyperplasie néo-intimale à l'interface entre le vaisseau natif et la greffe vasculaire, ce qui en retour peut entraîner une resténose. Afin d'inhiber ce phénomène, il a été proposé d'utiliser un médicament, le mésylate d'imatinib (IM), qui est un inhibiteur de trois récepteurs de kinase à savoir le PDGF-R, le c-Kit et l'abl, les deux premiers étant impliqués dans le mécanisme du phénomène à inhiber. Il a été démontré in vitro que de petites doses de IM inhibent avec succès la prolifération des cellules musculaires lisses (CML) sans ralentir l'endothélialisation. Ce médicament a donc été choisi pour améliorer la fonctionnalité des greffes vasculaires en PTFE. L'objectif de ce projet est de trouver un moyen de développer une approche innovante pour incorporer le mésylate d'imatinib dans les greffons vasculaires et permettre sa libération contrôlée au contact du sang. Pour ce faire, la création de films minces par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à pression atmosphérique (AP-PECVD) dans une configuration de décharge de barrière diélectrique (DBD) a été réalisée. Pour protéger le médicament des espèces énergétiques et réactives du plasma, il a été encapsulé dans des nanoparticules (NP) qui ajoutent aussi un autre niveau de contrôle de la libération du médicament. Ainsi, le dépôt d'une couche mince organique nanostructurée par des NPs de silice remplie de médicament a été réalisé sous pression atmosphérique dans un plasma d'argon. Le problème a tout d'abord été abordé par l'étude de la décomposition du précurseur organique dans une DBD plan-plan par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) et la corrélation avec la chimie du film déposé. Dans un premier temps, l'observation d'artéfacts dans les spectres infrarouges du plasma, attribués à tort dans la littérature à des raies de vibration, a été expliquée et décrite mathématiquement. Les résultats obtenus montrent que le nombre d'onde auquel ces artéfacts sont observés dépendent de la fréquence à laquelle est généré le plasma et de la fréquence d'échantillonnage de l'interférogramme mesuré par le spectromètre. En second lieu, la technologie plasma à la pression atmosphérique en mode FSK (Frequency Shift Keying) à 1 kHz et 15 kHz a été mise à profit pour déposer conjointement un polymère plasma, en utilisant le lactate d'éthyle comme précurseur, et des nanoparticules de silices, préalablement dispersées dans le précurseur. Encore une fois, la phase plasma a été caractérisée par spectroscopie infrarouge alors que le nanocomposite obtenu a été étudié par spectroscopie infrarouge, microscopie à balayage et microscopie à force atomique. Ces travaux démontrent clairement que les nanoparticules sont préférentiellement déposées pendant le cycle de basse fréquence de la décharge alors que la polymérisation du précurseur, qui requiert plus d'énergie, est plutôt observée à plus haute fréquence. Par la suite, la spectroscopie infrarouge résolue dans l'espace a été utilisée pour comparer les mécanismes de polymérisation du lactate d'éthyle pour deux modes de décharge, à savoir le régime filamentaire et le régime homogène. Les résultats ainsi générés ont permis de suivre la dégradation du précurseur organique au long de la décharge et de corréler cette information avec la composition du polymère plasma déposé. Ils ont aussi montré que la spectroscopie IRTF du gaz permet de caractériser les NPs. Finalement, les annexes de cette thèse présentent des résultats préliminaires qui visent à démontrer la faisabilité d'application des couches développées à des prothèses vasculaires et le potentiel de la stratégie globale pour inhiber la prolifération des cellules musculaires lisses. En annexe de la thèse, une recherche sur la faisabilité de la création de nanoparticules métalliques dans des plasmas gazeux est abordée et présentée. / Diseases of the heart and blood vessels are still the leading causes of death in most European countries, as well as Canada and the USA. Often, a blockage of the arteries induced by stenosis results in the need for a bypass surgery. Even though, harvesting the vein from the patient himself, avoiding immune response, seems like the most advantageous solution, it does in fact, in one third of the cases, show to be unsuccessful. For that reason, polytetrafluoroethylene (PTFE) vascular grafts are used. They show to have good mechanical properties and stability but could, in some cases, have unwanted side effect and cause neointimal hyperplasia on the interface between the native vessel and the vascular graft, this in return can result in restenosis. In order to inhibit this phenomenon, it has been proposed to use a drug, matinib mesylate (IM), which is an inhibitor of three kinase receptors: PDGF-R, c-Kit and abl, where the first two ones are implicated in the occurrence of neointimal hyperplasia. It has been shown that small doses of IM successfully inhibit SMC proliferation without slowing down the endothelialisation, hence it has been chosen as the drug to improve the functionality of PTFE vascular grafts. The goal of this project was to find a way to develop an innovative approach to incorporate imatinib mesylate into the vascular grafts and enable its controlled release upon contact with the blood. To do that, the creation of thin films by Atmospheric Pressure Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (AP-PECVD) in a Dielectric Barrier Discharge (DBD) configuration was chosen to be conducted. However, to protect the drug from the energetic and reactive plasma species, nanoparticles (NPs) were used to encapsulate the drug and to act as another level for controlled drug release. Indeed, deposition of an organic nanostructured, by silica nanoparticles, drug-filled thin layer has been achieved under atmospheric pressure in an argon plasma. The way this problem was tackled, was to first study the behavior of the organic precursor in the plasma by in-situ Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), while the thin film is deposited and compare with the characterization of the final layer.First, the observation of artefacts in infrared spectra of plasmas, mistakenly attributed in the literature to vibration lines, was explained and described mathematically. The results obtained show that the wavenumber at which these artefacts are observed depends on the frequency at which the plasma is generated and on the sampling frequency of the interferogram measured by the spectrometer. Secondly, plasma technology at atmospheric pressure in FSK (Frequency Shift Keying) mode at 1 kHz and 15 kHz was used to simultaneously deposit a plasma polymer, using ethyl lactate as a precursor, and silica nanoparticles, dispersed beforehand in the precursor. Again, the plasma phase was characterized by infrared spectroscopy while the resulting nanocomposite was studied by infrared spectroscopy, scanning microscopy and atomic force microscopy. This work clearly shows that the nanoparticles are preferentially deposited during the low frequency cycle of the discharge, while the polymerization of the precursor, which requires more energy, is rather observed at a higher frequency. Subsequently, space-resolved infrared spectroscopy was used to compare the polymerization mechanisms of ethyl lactate for two modes of discharge, namely the filamentary regime and the homogeneous regime. The results thus generated made it possible to follow the degradation of the organic precursor throughout the discharge and to correlate this information with the composition of the plasma polymer deposited. They also showed that FTIR gas spectroscopy makes it possible to characterize the NPs. Finally, the conclusions of this thesis present preliminary results which aim to demonstrate the feasibility of applying the developed layers to vascular prostheses and the potential of the overall strategy to inhibit the proliferation of smooth muscle cells. En annexe de la thèse, une recherche sur la faisabilité de la création de nanoparticules métalliques dans des plasmas gazeux est abordée et présentée.

L'épuisement des réserves de combustibles fossiles et l'augmentation de la demande énergétique ainsi que les problèmes économiques, politiques et environnementaux liés aux combustibles fossiles ont rendu impératif le développement de processus de production de carburants et de produits chimiques renouvelables. La source de carbone durable la plus abondante et la moins chère qui puisse être utilisée comme matière première pour la production de carburants renouvelables et de matières premières chimiques est la biomasse lignocellulosique. Le liquide produit à partir de la pyrolyse de la biomasse est appelé huile de pyrolyse ou bio-huile. Ce liquide contient un mélange complexe de composés résultant de la dégradation d'unités de construction de la biomasse, cellulose, hémicellulose et la lignine. Il a un faible pouvoir calorifique et une teneur élevée en oxygène. Il est acide et contient des particules de charbon solide. Il est donc incompatible avec les carburants actuels à base de pétrole, est thermiquement instable et se dégrade avec le temps. Par conséquent, la valorisation de la bio-huile est inévitable afin de résoudre les problèmes associés aux huiles de pyrolyse et de les utiliser comme carburants et produits chimiques renouvelables. La désoxygénation catalytique est l'une des méthodes prometteuses qui ont été largement étudiées afin d'éliminer l'oxygène atomique et de valoriser ces huiles. Cependant, il y a encore plusieurs problèmes tels qu'une faible sélectivité en aromatiques et oléfines et la formation de coke. Ainsi, le développement de nouveaux catalyseurs et procédés est indispensable pour surmonter les préoccupations mentionnées. Dans la première partie de cette thèse, la synthèse et la caractérisation d'une série d'échantillons de ZSM-5 mésoporeux sont discutées. Le copolymère tribloc Pluronic P123 (EO20PO70EO20) a été utilisé comme matrice de phase méso et la synthèse a été suivie par une méthode d'ajustement du pH permettant d'obtenir un matériau ZSM-5 bien cristallisé avec des méso-canaux de taille 8-10 nm. Les matériaux résultants ont été caractérisés par diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission (TEM), adsorption / désorption d'azote, microscopie électronique à balayage (MEB), résonance magnétique nucléaire à l'état solide (MAS-RMN) et désorption en température programmée de l'ammoniac (TPD). La difficulté de la méthode développée est d'effectuer la croissance de cristaux de zéolithe avec un réseau de pores mésostructuré d'une manière coopérative, en évitant à la fois une séparation de phase entre les unités de surfactant et de zéolithe pendant la cristallisation et la formation d'un matériau mésoporeux amorphe séparé. Dans la deuxième partie, l'effet de la mésoporosité sur la désoxygénation du furane en termes de production d'aromatiques et de désactivation du catalyseur par une étude comparative entre des échantillons de ZSM-5 mésoporeux et microporeux, est étudié. Les catalyseurs mésoporeux ont été préparés selon le procédé décrit dans la première partie avec des rapports Si / Al de 30 et 60. De plus, deux taux différents de WHSV de 5,5 et 11 h⁻¹ ont été utilisés dans les essais. On a trouvé que le taux de conversion du furane initial était plus élevé pour les catalyseurs microporeux, qui se désactivaient cependant rapidement, sur 2 heures de fonctionnement. D'autre part, les catalyseurs mésoporeux ont montré une activité plus régulière avec une légère vitesse de désactivation. La sélectivité globale en aromatiques par rapport aux catalyseurs mésoporeux était plus élevée que par rapport à celle des catalyseurs microporeux. Au chapitre 4, l'effet de l'incorporation de sites actifs métalliques (Zn) sur les taux de conversion du furane, la production d'aromatiques et la formation de coke est discuté. Deux séries de catalyseurs microporeux et mésoporeux avec Si / Al = 30 ont été préparées à différentes charges métalliques de 2 et 5% en poids. Les résultats de la caractérisation par diffraction des rayons X (XRD) n'ont révélé aucun pic supplémentaire par rapport au spectre de la zéolithe, indiquant la bonne dispersion du zinc. Le taux initial de conversion de furane était plus élevé pour les catalyseurs microporeux; il augmentait avec une augmentation de la charge de métal, mais les échantillons mésoporeux se sont rapidement désactivés après 2 heures de fonctionnement. De plus, la sélectivité en aromatiques avec le benzène comme produit principal a été augmentée et la formation de coke a été réduite pour les échantillons mésostructurés. / Depleting fossil fuel reserves and increase of energy demands along with economical, political, and environmental issues related to the fossil fuels have made it imperative to develop processes to produce renewable fuels and chemicals. The most plentiful and cheap sustainable source of carbon that can be used as a feedstock for the production of renewable fuels and commodity chemical feedstocks is lignocellulosic biomass. The liquid produced from the pyrolysis of biomass is designated as pyrolysis oil or bio-oil. This liquid contains a complex mixture of compounds resulting from the degradation of biomass building units, cellulose, hemicellulose, and lignin. It has a low heating value and high oxygen content, is acidic, contains solid char particles, is incompatible with current petroleum-based fuels, is thermally unstable, and degrades with time. Therefore, upgrading of bio-oil is inevitable in order to resolve the issues associated with pyrolysis oils and to use them as renewable fuels and chemicals. Catalytic deoxygenation is one the promising methods which have been extensively studied in order to remove atomic oxygen and valorizing these oils. However, there are still several issues such as low selectivity into aromatics and olefins and coke formation. Thus, developing new catalysts and processes is a must to overcome the mentioned concerns. In the first part of this thesis, the synthesis and characterization of a series of mesoporous ZSM-5 samples are discussed. Pluronic P123 triblock copolymer (EO20PO70EO20) was used as the meso-phase template and synthesis was followed by a pH adjusting method allowing obtaining a well-crystallized ZSM-5 material with meso-channels of size of 8-10 nm. The resulting materials were characterized using X-ray diffraction, transmission electron microscopy (TEM), nitrogen adsorption/desorption, scanning electron microscopy (SEM), solid-state nuclear magnetic resonance (MAS-NMR) and ammonia temperature programmed desorption (TPD) analyses. The significance of the developed method is to perform the growth of zeolite crystals with a mesostructured pore lattice in a cooperative manner, avoiding both a phase separation between the surfactant and zeolite units during crystallization and the formation of a separate amorphous mesoporous material. In the second part, the effect of mesoporosity on deoxygenation of furan in terms of aromatic production and catalyst deactivation through a comparative study between mesoporous and microporous ZSM-5 samples, is studied. The mesoporous catalysts were prepared according to the method described in part one with Si/Al ratios of 30 and 60. Moreover, two different WHSV rates of 5.5 and 11 h⁻¹ were employed in the reaction tests. It was found that the initial furan conversion was higher over the microporous catalysts, which however deactivated rapidly, over 2 hours of time on-stream. On the other hand, the mesoporous catalysts showed a steadier activity with a slight deactivation rate. The overall selectivity to aromatics over the mesoporous catalysts was higher than over the microporous ones. In chapter 4, the effect of the incorporation of zinc metallic active sites on the conversion, aromatic production and coke formation rates is discussed. Two series of microporous and mesoporous catalyst with Si/Al=30 were prepared at different metal loadings of 2 and 5 wt.%. The results of X-ray diffraction (XRD) patterns revealed no extra peaks compared to those of the Zn free materials, indicating the good dispersion of zinc. The initial furan conversion rate was higher over the microporous catalysts, and increased by increasing the metal loading, however the microporous samples, deactivated rapidly after 2 hours of time on-stream. In addition, the aromatic selectivity with benzene as the major product was increased and coke formation was reduced over the mesostructured zeolites.

L'intérêt pour le développement de ressources bio-renouvelables pour la production de polymères a excessivement augmenté récemment. Le limonène époxydé est une source très prometteuse de bio-monomères. Son abondance et le faible coût de sa matière première les rendent appropriés comme alternatives à leurs homologues pétroliers conventionnels. L'oxyde de 1,2 limonène et le dioxyde de limonène, les dérivés de l'époxydation du limonène, sont en effet utilisés pour la synthèse de matériaux durables tels que les polycarbonates de limonène verts et les polyuréthanes sans isocyanates. Par conséquent, l'étude des moyens efficaces et économiques d'époxydation du limonène est d'un grand intérêt. L'activation de l'oxygène moléculaire en tant qu'oxydant dans l'époxydation sélective d'alcènes est une cible tentante en raison de son faible coût et de la nature écologique de cet oxydant. Cependant, l'oxygène moléculaire est inactif et il n'est activé qu'en présence de catalyseurs à base de métaux de transition réactifs et hautement sélectifs. Dans ce travail de recherche, une technique de post-greffage a d'abord été utilisée pour la substitution du cobalt dans la SBA-16 mésoporeuse comme support en utilisant directement l'acétylacétonate de cobalt comme précurseur. La silice mésoporeuse ordonnée, spécifiquement SBA-16 avec une surface spécifique élevée, un grand volume de pores et des tailles de pores uniformes s'est avérée efficace pour fournir des sites actifs hautement dispersés pour l'époxydation de molécules d'alcène volumineuses comme le limonène. En utilisant cette méthode, une charge élevée de cobalt finement dispersé sur de la silice SBA-16 a été obtenue. Les catalyseurs Co / SBA-16 (Co / Si = 4.5%) ont présenté une conversion et une sélectivité élevées dans l'époxydation aérobie Mukaiyama du limonène avec de l'oxygène moléculaire, l'oxydant le plus souhaitable, et de l'isobutyraldéhyde comme coréducteur dans des conditions très douces en présence du solvant vert l'acétate d'éthyle. Pour optimiser le rendement de la formation d'époxyde, un plan expérimental statistique a été appliqué pour une étude systématique des conditions de réaction par Central Composite Design (CCD) et le modèle Response Surface Methodology (RSM). 99% de conversion de limonène, 50% d'oxyde de 1,2 limonène et 32% de dioxyde de limonène ont été obtenus en 200 minutes de temps de réaction dans les conditions de réaction optimisées : concentration d'isobutyraldéhyde de 1 mmol / ml (rapport IBA / limonène = 3.3) et 14.3 mg / ml de catalyseur à 28 °C et 10 ml/min de débit d'O₂. Pour améliorer davantage l'activité du catalyseur, l'incorporation de Co²⁺ à faible coordination dans la structure de la silice mésoporeuse SBA-16 a été réalisée par une méthode facile et verte « d'ajustement du pH » et le résultat a été comparé par rapport à notre méthode de post-greffage précédente. Ce catalyseur avec Co/Si = 1.1%, a montré une réactivité bien plus élevée pour l'époxydation aérobie du limonène avec des rendements d'époxyde plus élevés (~ 100%) (1,2 et 8,9-oxyde de limonène et dioxyde de limonène) sous une pression d'oxygène de 44 psi. Une analyse cinétique approfondie de l'époxydation aérobie du limonène a été effectuée pour permettre de proposer un schéma réactionnel. Un nouveau mécanisme, dans lequel une réaction de surface entre un intermédiaire Co³⁺ OO⁻ peroxo et le limonène s'est avérée impliquée dans la formation du limonène époxydé. Malgré l'excellent résultat obtenu dans la première partie de cette étude pour l'époxydation aérobie du limonène en présence d'un aldéhyde comme coréducteur et de l'acétate d'éthyle comme solvant, la mise au point d'un procédé catalytique sans solvant ni réducteur est vraiment intéressante en termes de chimie verte. L'activité et la sélectivité des catalyseurs au ruthénium supportés sur divers charbons actifs ont été étudiées dans l'époxydation aérobie du limonène dans des conditions de réaction sans solvant / réducteur et sans initiateur. Le catalyseur préparé par échange de cations en utilisant le charbo activé Darco G60, avec la plus grande surface de mésopore et le plus grand volume de pores et la plus petite taille de particule de Ru (1.8 nm), s'est avéré donner la meilleure combinaison de conversion de limonène de 35% et de sélectivité d'époxyde de 57% (1,2 et 8,9-oxyde de limonène et dioxyde de limonène) à 80 °C et 3 bars de pression d'oxygène. / The incentive for the development of bio-renewable resources for production of polymers has been excessively raised recently. Limonene epoxides are very promising sources of biomonomers which their abundance and low cost of raw material make them suitable as alternatives to their conventional petroleum derived counterparts. 1,2 limonene oxide and limonene dioxide, the products of limonene epoxidation, are utilized for synthesis of sustainable materials such as green limonene polycarbonates and non-isocyanate polyurethanes. Therefore, investigation of effective and economic ways of epoxidation of limonene is of high interest. Activation of molecular oxygen as an oxidant in selective epoxidation of alkenes is a tempting target owing to its low cost and environmentally friendly nature. However, molecular oxygen is inactive, and it is activated only in the presence of potent and highly selective transition metal catalysts. In this research work, first a post grafting technique was used for substitution of cobalt in mesoporous SBA-16 as a support, using directly cobalt acetylacetonate as the precursor. Ordered mesoporous silica specifically SBA-16 with high surface area, large pore volume and uniform pore sizes were found effective to provide highly dispersed active sites for the epoxidation of bulky alkene molecules like limonene. Using this method, a high loading of cobalt finely dispersed on SBA-16 silica was obtained. The Co/SBA-16 (Co/Si= 4.5%) catalysts exhibited high conversion and selectivity in aerobic Mukaiyama epoxidation of limonene with molecular oxygen as the most desirable oxidant and isobutyraldehyde as a coreductant under very mild conditions in the presence of the green solvent ethylacetate. To optimize the yield of epoxide formation, a statistical experimental design was applied for systematic investigation of reaction conditions by Central Composite Design (CCD) and Response Surface Methodology (RSM) model. 99% limonene conversion, 50% 1,2 limonene oxide and 32 % limonene dioxide were obtained within 200 minutes of reaction time under the optimized reaction conditions: 1 mmol/ml isobutyraldehyde concentration (IBA/limonene ratio=3.3) and 14.3 mg/ml catalyst amount at 28°C and 10 ml/min O₂ flow rate. To further enhance the activity of catalyst, incorporation of low coordination Co²⁺ within the structure of mesoporous silica SBA-16 has been accomplished through a facile and green "pH adjusting" method and the result compared with those of our previous postgrafting method. This catalyst with Co/Si=1.1%, showed quite higher reactivity for the aerobic epoxidation of limonene with higher epoxide yields (~100%) (1,2 and 8,9- limonene oxide and limonene dioxide) under 44 psi oxygen pressure. A thorough kinetic analysis of aerobic epoxidation of limonene was performed to allow proposing a reaction scheme. A new mechanism, in which a surface reaction between a Co³⁺OO⁻ peroxo intermediate and limonene was found to be involved in the formation of the epoxidized limonene. Despite the excellent result obtained in the first part of this study for aerobic epoxidation of limonene in the presence of an aldehyde as a coreductant and ethylacetate as a solvent, developing a solvent- and reductant-free catalytic process is really appealing in terms of green chemistry. The activity and selectivity of ruthenium catalysts supported on various activated carbons have been investigated in aerobic epoxidation of limonene under solvent/reductant and initiator free reaction conditions. The catalyst prepared by cation exchange using activated carbon Darco G60, with the highest mesopore surface area and pore volume and the lowest Ru particle size (1.8 nm), was found to give the best combination of limonene conversion of 35% and epoxide selectivity of 57% (1,2 and 8,9- limonene oxide and limonene dioxide) at 80 °C and 3 bar oxygen pressure.

Les nanoparticules de silice mésoporeuses (MSNs) sont des matériaux prometteurs pour les applications biomédicales en raison de leurs propriétés uniques : leur taille modulable, leur grande surface, leur grand volume poreux, leur morphologie ajustable, et leur surface aisément modifiable. L’objectif principal de cette thèse était de contrôler ces paramètres afin de développer des MSNs multifonctionnelles pour la livraison des médicaments et l’imagerie biomédicale. Tout d’abord, une stratégie de fonctionnalisation sélective de la surface externe des MSNs a été développée pour éviter la perte de porosité due aux procédures conventionnelles de greffage. Un polymère biocompatible (le polyéthylène glycol) et une molécule sonde d’imagerie par résonance magnétique (IRM) ont été utilisés. Cette fonctionnalisation a mené à la conception de nanoparticules à fort potentiel pour la mise au point d’applications thérapeutiques et de diagnostic. Les nanoparticules obtenues se caractérisent par un fort potentiel de contraste en IRM, par une capacité élevée de chargement des médicaments, et par une aptitude à assurer une libération contrôlée des médicaments dans des conditions physiologiques. Ensuite, le contrôle de la taille des MSNs et de leur chimie de surface ont permis un meilleur contrôle de la capacité de piégeage et de relargage des médicaments (exemples : des agents anticancéreux). Ils ont permis également une amélioration de leur internalisation, de leur rétention cellulaire, de leur ciblage, de leur diffusion dans les matrices cancéreuses et de leur action anti-tumorale. Les meilleures performances ont été obtenues avec les nanoparticules de petites tailles (< 50 nm) et fonctionnalisées avec des groupements phosphonates. Par la suite, afin de développer le potentiel de ciblage de ces produits, les particules ont été fonctionnalisées avec l’anticorps "Ri7" ciblant les cellules endothéliales de la barrière hématoencéphalique. Lors de tests in vitro et in vivo, les nanoparticules Ri7-MSN de 50 nm se sont accumulées spécifiquement et massivement dans ces cellules. Ces résultats ouvrent les portes sur l’utilisation potentielle de telles nanoparticules pour la livraison de médicaments aux cellules endothéliales de la barrière hématoencéphalique, qui sont impliquées dans plusieurs maladies du système nerveux central. Finalement, la fonctionnalisation de la surface des MSNs par des composés fluorés et des chélates de gadolinium a permis de développer des nanoparticules comme sondes potentielles pour l’IRM binucléaire (IRM du proton et du fluor). Ces particules se caractérisent par leurs excellentes propriétés relaxométriques et par leur potentiel à être détectées et à générer un contraste positif dans les images d’IRM. En résumé, l’ensemble de ces travaux a permis de concevoir de nouvelles voies prometteuses pour le développement de nanovecteurs de silice mésoporeuse pour des applications éventuelles en thérapie et en diagnostic. / Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) have emerged as promising nanomaterials for biomedical applications owing to their unique properties: tunable size, high surface area, large pore volume, adjustable morphology and easily modifiable surface. The main objective of this thesis is to control these parameters to develop multifunctional MSNs for drug delivery and biomedical imaging. First, a selective surface functionalization strategy of MSNs was developed. Magnetic resonance imaging (MRI) probe molecule and polyethylene glycol was grafted preferentially at the outer surface. This approach is a straightforward and efficient strategy that leads to the design of potential theranostic nanoparticles without porosity loss and with high drug loading capacity. These nanoparticles not only have a remarkable MRI positive contrast enhancement but also allow a controlled drug release in physiological conditions. Then, the particle size control and surface chemistry functionalization of MSNs led to better control over loading and release of positively charged drug (doxorubicin (Dox) was used as an anticancer drug model), intracellular drug release efficiency, intratumoral diffusion, as well as tumor growth inhibition and therapeutic efficiency. Better performances were obtained with small phosphonated nanoparticles (< 50 nm). Afterwards, we demonstrated, both in vitro and in vivo, the impact of size and bioconjugation of MSNs with the antibody "Ri7" on the specific targeting of blood brain barrier endothelial cells (BMEC). 50 nm Ri7-MSN nanoparticles were shown to accumulate specifically and massively in BMEC. These results open the door to the potential application of such nanoparticles for therapeutic drug delivery to the endothelial cells of the blood-brain barrier, which are involved in several central nervous system diseases. Finally, labeling MSNs with fluorine compounds and gadolinium chelate molecules led to the development of nanoparticles as potential binuclear MRI probes (1H and 19F). These nanoparticles have shown their excellent relaxometric properties and their ability to be detected and generate a positive contrast in 1H and 19F MRI image. All this work represents a significant advance in the design of high colloidal stability silica-based nanovectors, which could provide novel theranostic nanocompounds.

The efforts of the pioneers who designed stimuli-sensitive polymers are compensated by several emerging applications inspired by this new technology. The specificity of these polymers lies in the conformation and / or solvation changes of macromolecular chains under the variation of an external stimulus such as pH, temperature, light, magnetic or electric waves. In this research project, a thin film of stimuli-sensitive polymer that acts as a transducer was deposited on a plasmonic layer to produce a sensor chip designed to detect ferric ions. To do this, microgels composed of a dual stimuli sensitive polymer called poly (N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) (PNIPAm-co-AAc) were synthesized with a thermo initiator: ammonium persulfate (APS), a monomer responsible for thermosensitivity: N-isopropylacrylamide (NIPAm), a comonomer responsible for pH sensitivity: AAc and a crosslinking agent: N,N'-methylenebisacrylamide (BIS). First, several studies on the thermo and pH-sensitivity of microgels are carried out. From these studies we obtain the temperature of the volume phase transition (VPTT) of microgels, which is between 25 to 35 °C. The reproducibility of the synthesis is conclusive because the VPTT and the size of the microgels in each synthesis remain approximately the same. Then, the microgels are functionalized with dopamine which has catechol groups known to chelate the ferric ions. Although the VPTT of the functionalized microgels is shifted towards higher temperatures and their degree of freedom to collapse decreases, they remain stimuli sensitive. In a second step, the functionalized microgels are deposited on a gold-coated prism using the Langmuir-Blodgett technique. In order to optimize the surface assembly, the surface pressure and the number of dipping cycles were varied. The deposited microgels are characterized by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). Once assembled, surface plasmon resonance spectroscopy (SPR) is employed to study the sensitivity of the microgels to Fe³⁺. The shift in the surface plasmon resonance wavelength (Δλ[subscript SPR]) in the presence of Fe³⁺ will be highlighted to demonstrate this sensitivity. / Les polymères sensibles aux stimuli diffèrent des polymères conventionnels. La spécificité de ces polymères réside dans le changement de la conformation et/ou de la solvatation des chaînes macromoléculaires sous l'action de la variation d'un stimulus externe comme le pH, la température, la lumière, les ondes magnétiques ou électriques. Dans ce projet un film mince de polymère stimuli-sensible a été déposé sur une couche plasmonique pour fabriquer un capteur qui sert à détecter les ions ferriques. Pour ce faire, des microgels composés de réseaux polymériques du poly(N-isopropylacrylamide-co-acide acrylique) (PNIPAm-co-AAc) ont été synthétisés à partir d'un thermo-initiateur, le persulfate d'ammonium (APS), d'un monomère responsable de la thermosensibilité , le N-isopropylacrylamide (NIPAm), d'un co-monomère d'acide acrylique (AAc) et d'un agent de réticulation, le N,N'-méthylènebisacrylamide (BIS). Dans un premier temps, plusieurs caractérisations seront effectuées en fonction de la variation de la température et du pH pour mettre en évidence la thermo- et pH-sensibilité des microgels. À partir de ces études s'en découle la température de transition de volume de phase (VPTT) des microgels qui se situe entre 25 et 35 °C. La reproductibilité de la synthèse est très satisfaisante car la VPTT et la taille des microgels issus des synthèses répétées restent relativement constantes. Par la suite, les microgels ont été fonctionnalisés avec la dopamine qui comporte des groupements catéchol, connus pour chélater les ions Fe³⁺. Suite à cette fonctionnalisation, la VPTT des microgels est déplacée vers les plus hautes températures et la transition devient plus progressive. Dans un deuxième temps, les microgels fonctionnalisés sont déposés à l'aide de la technique Langmuir-Blodgett sur un prisme de Dove revêtu d'une couche d'or afin d'étudier la sensibilité des microgels face au Fe³⁺ par spectroscopie de résonnance de plasmon de surface (SPR). Le déplacement de la longueur d'onde de la résonance de plasmon de surface (Δλ[indice SPR]) est mise en exergue dans ce travail pour démontrer cette sensibilité. Afin d'optimiser cet assemblage en surface, la pression de surface et le nombre de trempages ont été variés. L'assemblage a aussi été caractérisé par microscopie électronique à balayage (SEM) et microscopie à force atomique (AFM).

Dans ce travail, une technique efficace a été utilisée pour produire des membranes poreuses pour diverses applications (support de membrane, filtre, etc.). En particulier, le polyéthylène a été choisi pour la matrice en combinaison avec l'amidon pour une plage de concentrations entre 50 et 60% en poids d'amidon. La membrane de base a été produite par extrusion-calandrage en continu, puis l'amidon a été lessivé par immersion dans une solution aqueuse de 20% d'acide acétique à 80°C. Ensuite, une caractérisation des membranes a été faite en termes de morphologie, de propriétés mécaniques, de porosité moyenne (masse volumique) et de distribution de la taille des pores. Après une optimisation des conditions de procédé et de la formulation, les propriétés de transport des gaz à travers les membranes ont été déterminées sur la base de perméation de gaz purs. En particulier, les propriétés de transport des gaz (CH₄, CO₂, O₂ et N₂) ont été évaluées pour déterminer la viabilité de ces membranes en tant que des membranes support pour l'adoucissement du gaz naturel (CH₄ / CO₂) et pour la production d'air enrichi en oxygène(O₂ / N₂). Pour ce faire, on rapporte des valeurs de perméabilité et de sélectivité idéale pour une température de 25°C et une pression de 1,17 bar (17 psi). / In this work, an efficient technique was used to produce porous membranes for different applications (membrane support, filter, etc.). Polyethylene was chosen for the matrix in combination with starch for a concentration range between 50 and 60% by weight of starch. The base membrane was produced by continuous extrusion-calendering, and then the starch was leached by immersion in a 20% aqueous acetic acid solution at 80°C. Then, a characterization of the membranes was done in terms of morphology, mechanical properties, average porosity (density) and pore size distribution. After optimization of the processing conditions and formulation, the gas transport properties through the membranes were determined based on pure gas permeation. In particular, the gas transport properties(CH₄, CO₂, O₂ and N₂) were evaluated to determine the viability of these membranes as supporting membranes for natural gas sweetening (CH₄ / CO₂) and to produce oxygen-enriched air (O₂ / N₂). For this purpose, the ideal permeability and selectivity values are reported for a temperature of 25°C and a pressure of 1.17 bar (17 psi).

Les films cellulaires piézoélectriques en polypropylène ont connu une belle effervescence durant la dernière décennie grâce à leurs multiples avantages, dont les plus notoires sont l’effet piézoélectrique comparable aux matériaux piézoélectriques traditionnels, le faible coût de production et la malléabilité. La méthode la plus commune pour fabriquer ces films est l’extrusion de feuilles de polypropylène chargées de particules minérales qui sont ensuite étirées bi-axialement pour former la structure cellulaire. Malgré la simplicité relative de ces étapes, la littérature libre ne contient pas beaucoup de détails à propos des paramètres optimaux de mise en forme mécanique (configuration et température d’extrusion, calandrage, pressage, étirage mécanique) ni à propos des effets de ceux-ci sur la structure cellulaire à la base de l’effet piézoélectrique. Les paramètres majeurs à optimiser lors de ces premières étapes sont le taux de cristallinité du polymère, la dispersion et distribution uniforme des charges minérales et la morphologie initiale des cellules du film, qui sont très influant sur l’effet final. Le premier article de ce travail s’attarde à détailler la mise en forme mécanique des films et à étudier l’effet des différents paramètres. Ensuite, les films subissent un traitement de pression pour optimiser leur structure cellulaire avant d’être chargé par un champ électrique externe. C’est cette dernière étape qui confère au film cellulaire son effet piézoélectrique. En deuxième partie de cet ouvrage, l’effet piézoélectrique est caractérisé par spectroscopie de résonance diélectrique afin de déterminer le ratio optimal des masses volumiques avant et après gonflement et pour comparer l’effet de différents paramètres sur la piézoélectricité des films; l’épaisseur et la densité finales des films ainsi que la distribution de la taille des cellules. Dans le cadre de ce projet, des films cellulaires piézoélectriques en polypropylène ont été fabriqués et optimisés en portant une attention particulière aux paramètres de mise en forme dans des conditions semblables à un milieu industriel. Avec une charge massique de 20% de particules de CaCO3 de grade industriel de taille moyenne de 12 µm suite à un refroidissement lent à 0,78°C/min lors du pressage, des coefficients piézoélectriques de l’ordre 216 pC/N ont été atteint avec un ratio de densité optimal de entre 0,70 et 0,75. / Cellular piezoelectric polypropylene films have received a lot of interest over the last ten years thanks to their multiple advantages, mainly their piezoelectric coefficient comparable to the ones of traditional piezoelectric materials, their low cost of production and their malleability. Such films are fabricated by biaxial stretching of polypropylene sheets loaded with mineral filler previously obtained by extrusion. Despite the relative simplicity of this process, few information is available in the open literature about the influence of the manufacturing parameters on the piezoelectric effect. During the first steps, care must be given to polymer crystallinity, distribution and dispersion of the minerals and initial cellular morphology. The first article of the present work details the fabrication process and the effect of its different parameters. Then the films are inflated by a pressure treatment to optimize the cellular structure. When the film structure is done, the cellular films are charged by an exterior electric field. The latter step renders the film piezoelectric. For the second part of this work, the piezoelectric effect is characterized by dielectric resonance spectroscopy to determine the optimal density ratio and to compare the effects on piezoelectricity of different film parameters such as film thickness, final density and cell heights distribution. For this project, cellular polypropylene piezoelectric films were produced in industrial-like conditions with focus on the manufacturing parameters. With a weight fraction of 20% of industrial grade 12 µm CaCO3 and a slow cool down at 0,78°C/min following pressing, piezoelectric coefficients reached 216 pC/N for an optimal density ratio between 0,70 and 0,75.