L'objectif de ce travail est de contribuer à l'amélioration des mécanismes d'imprégnation d'un renfort fibreux par une résine polymère dans les procédés de mise en œuvre de matériaux composites de type LCM (Liquid Composite Molding). Les études théoriques et expérimentales réalisées se sont focalisées sur les anomalies d'imprégnation pouvant apparaître lors des écoulements. Les défauts couramment observés sont des vides pouvant s'assimiler à des bulles et provenant, en partie, d'une compétition entre les régimes gouvernant les écoulements intra-mèche et inter-mèches. L'analyse de la formation et du transport des bulles au sein d'une structure fibreuse demeure délicate à réaliser du fait de l'architecture complexe de la préforme. Afin de s'exonérer des difficultés rencontrées lors de la visualisation au sein du renfort et pour répondre à cette problématique de vide créé, nous avons fait le choix d'étudier les mécanismes d'imprégnation ainsi que la formation et le transport de bulles dans des réseaux modèles. Une analyse multi-échelles a été adoptée pour nos expérimentations faisant appel à une approche micro et millifluidique où les forces de mouillabilité sont prépondérantes. Les résultats obtenus montrent, dans un premier temps, l'influence de ces forces dans les mécanismes de génération et de transport de bulles et permet de justifier certaines observations proposées dans ce sujet. Un modèle simple basé sur des configurations d'inter-connectivités micropore/macropore a été proposé. Ce modèle permet d'envisager différentes analyses paramétriques selon des configurations géométriques et des régimes d'écoulement variés. Sur cette base, il est possible de prendre en compte différents facteurs et de les comparer à certaines contributions de la littérature dans le domaine de l'imprégnation des milieux fibreux et de la mise en œuvre des composites.

Le but de ce travail de thèse est le développement d'un outil miniaturisé basé sur la millifluidique en goutte qui permet de synthétiser et d'étudier en toute sécurité des réactions de polymérisation dans des conditions difficiles ou «extrêmes».À cette fin, le réacteur de polymérisation a été réduit à la taille d'une gouttelette de quelques microlitres. A cette échelle, le microréacteurs goutte a un rapport surface sur volume plus élevé que ceux qui sont couramment obtenus avec des réacteurs discontinus classiques (~ 1500 par rapport à 10). Cette surface importante permet le transfert de chaleur efficace entre le milieu intérieur de la gouttelette (où la réaction chimique a lieu) et le milieu externe, qui est chimiquement inerte. Ici, contrairement à une approche monophasique, les caractéristiques clés d'une goutte miniaturisés permettent : (1) les gouttelettes de haute viscosité interne peuvent circuler normalement sans boucher le canal et (2) la dispersion due à la convection et la diffusion est éliminé car les réactifs sont compartimentées dans les gouttelettes. Comme toutes les gouttelettes se déplacent à la même vitesse, elles ne coalescent pas et il n'y a pas de distribution du temps de résidence. Ceci est particulièrement important étant donné que la viscosité dans des réactions de polymérisation peut augmenter à des milliers de centipoises ou même plus dans le cas des processus de gel.L'utilisation de gouttes comme microréacteurs circulant dans un tube chauffé (1/8’’ dext et 1/16’’ dint) peut permettre d’observer rapidement et en toute sécurité des réactions de polymérisation à différentes conditions. Nous avons choisi d'utiliser des conditions expérimentales où le processus de polymérisation est rapide et exothermique et/ou la viscosité peut être un problème. L'acide acrylique à faible pH et à concentrations élevées est donc un bon candidat pour obtenir un tel comportement. La composition des gouttelettes dépendant uniquement des débits, il est facile d’étudier différentes conditions expérimentales, y compris celles qui ne pouvaient pas être observées dans des réacteurs discontinus conventionnels (i.e. les concentrations de monomère et températures élevées, 40% massique et 90°C).Par ailleurs, couplé avec des systèmes appropriés d'analyse, des données cinétiques de base peuvent être obtenus en ligne à travers la paroi du tube transparent. En utilisant la spectrométrie Raman et l'équivalence temps-espace qui est spécifique à l'utilisation de dispositifs micro-et millifluidique à base de gouttes, nous avons été capables de suivre la conversion du monomère en fonction du temps. Ainsi, nous avons obtenu une cinétique d'ordre 4/3 en fonction de la concentration initiale en monomère et une demi-dépendance avec la concentration initiale de l'amorceur. Nous avons également pu mesurer une énergie d'activation globale de la vitesse de polymérisation entre 68°C et 90°C.En conclusion, la millifluidique et goutte semble être une approche prometteuse pour le criblage haut débit, l’analyse, et l’obtention de données cinétique de base en synthèse de polymères. / The aim of this thesis work is the development of a miniaturized droplet-based millifluidic tool which allows to safely synthesize and investigate polymerization reactions in harsh or “extreme” conditions.For this purpose, the polymerization reactor was reduced to the size of a droplet of a few microliters. At this scale, the droplet microreactor has a surface to volume ratio higher than those commonly obtained with conventional batch reactors (~1500 compare to 10). This important surface allows efficient heat transfer between the internal medium of the droplet (where the chemical reaction takes place) and the external one, which is chemically inert. Here, in contrast to single-phase flows, other key characteristics to a miniaturized droplet-based approach consist in: (1) droplets can manage high internal viscosity issues without plugging the channel and (2) dispersion due to convection and diffusion is eliminated because the reactants are compartmentalized within droplets. Since all droplets move at the same speed, they do not coalesce and there is no residence time distribution. This is particularly important since viscosity in polymerization reactions can increase to thousand of centipoises or even higher in the case of gel processes.The use of droplets as batch microreactors flowing within a heated tube (1/8 in. o.d. and 1/16 in. i.d.) can allow investigating quickly and safely polymerization reactions at different conditions. We choose to use experimental conditions where fast and exothermic polymerization process occurs and/or viscosity can be an issue. Acrylic acid at low pH and high concentrations is hence a good candidate to obtain such behavior. Since droplet composition depends only on flow rates, it was easy to screen different experimental conditions, including those which could not be used in conventional batch reactors (i.e., high monomer concentrations and temperatures; 40% w/v and 90 °C).Moreover, coupled with appropriate and sensitive analytical systems, basic kinetic data can be obtained in line through the wall of the transparent tube. By using Raman spectrometry and the time-space equivalence which is specific to the use of droplet-based micro- and millifluidic devices, we were capable to monitor molar conversions and monomer concentrations as a function of time. Thus, we verified the 4/3 order kinetics in initial monomer concentration and a 1/2 dependence in initial initiator concentration. We also able measured the overall activation energy for the rate of polymerization between 68°C to 90°C.In conclusion, droplet-based millifluidics seems to be a promising high throughput screening approach for investigating kinetics and possibly tailoring polymer properties.

Les mousses polymères appartiennent à la famille des mousses solides qui sont des matériaux polyvalents, largement utilisés dans un grand nombre d'applications telles que l'automobile, l'emballage, produits de sport, isolants thermiques et acoustiques ou l'ingénierie tissulaire. Composé de bulles d'air piégées dans un réseau continu solide, elles allient les propriétés du polymère avec ceux de la mousse pour créer un matériau intéressant et complexe. L'intégration d'une mousse dans un réseau de polymère permet non seulement d'utiliser la vaste gamme de propriétés intéressantes offertes par les polymères, mais permet aussi de profiter des propriétés avantageuses des mousse telles que la légèreté, la faible densité, la compressibilité et un rapport surface/volume grande surface élevé. En général, les propriétés des mousses polymères sont fortement liées à leur densité et leur structure (la taille des bulles, l’arrangement des bulles dans l’espace, la structure des cellules ouvertes ou fermées). Le contrôle des propriétés finales de ces mousses est donc régi par le contrôle de sa densité et sa structure.Nous avons développé une technique dans laquelle des mousses solides sont générées essentiellement suivant un processus à deux étapes dans lequel une mousse liquide suffisamment stable ayant des propriétés bien contrôlées est générée dans une première étape, puis solidifiée. Avec une telle approche, la production des mousses solides peut être divisé en un certain nombre de sous-tâches qui peuvent être contrôlées et optimisées séparément.Le passage de l'état liquide à l'état solide est essentiellement composé de trois étapes principales: la production de la mousse, le mélange des réactifs et la solidification de la mousse. Ce dernier nécessite l'optimisation de la stabilité de la mousse et des paramètres expérimentaux tels que le choix du temps de moussage et de solidification. En outre, une bonne homogénéité de la mousse polymère appelle à un bon mélange des différents réactifs impliqués dans la formulation de la mousse et de la polymérisation.Une illustration des avantages de cette approche est donnée par la solidification de mousses liquides monodisperses générées à l’aide de la technique millifluidique. Dans une telle mousse, des bulles de volume égal, s’auto-organisent sous l’effet de la gravité et du confinement pour former des structures cristallines. Ainsi, les mousses monodisperses permettent d’avoir un contrôle simultanément sur la taille et la distribution des bulles du matériau poreux final, ce qui donne lieu à une meilleure compréhension de la corrélation entre sa structure et ses propriétés. L’objectif de cette étude est donc d'explorer le nouveau spectre de propriétés, que des mousses polymère offrent lorsque l’on y introduit une structure ordonnée et de démontrer la faisabilité de cette approche à deux étapes pour différentes classes de polymères (hydrogel, polymère super-absorbant et polyuréthane).La génération de ces mousses polymères structurées a été réalisée à l’aide d’un laboratoire sur puce qui permet le rétrécissement des dispositifs expérimentaux à l'échelle micro / millimétrique. Il permet également l’injection et le mélange divers ingrédients liquides et gazeux de la mousse. / Polymer foams belong to the solid foams family which are versatile materials, extensively used for a large number of applications such as automotive, packaging, sport products, thermal and acoustic insulators, tissue engineering or liquid absorbents. Composed of air bubbles entrapped in a continuous solid network, they combine the properties of the polymer with those of the foam to create an intriguing and complex material. Incorporating a foam into a polymer network not only allows one to use the wide range of interesting properties that the polymer offers, but also permits to profit from the advantageous properties of foam including lightness, low density, compressibility and high surface-to-volume ratio. Generally, the properties of polymer foams are strongly related to their density and their structure (bubble size and size distribution, bubble arrangement, open vs closed cells). Having a good control over foam properties is thus achieved by first controlling its density and structure.We developed a technique in which solid foams are generated essentially in a two-step process: a sufficiently stable liquid foam with well-controlled structural properties is generated in a first step, and then solidified in a second one. With such a two-step approach, the generation of solid foams can be divided into a number of well-separated sub-tasks which can be controlled and optimised separately. The transition from liquid to solid state is a sensitive issue of a great importance and therefore needs to be controlled with sufficient accuracy. It is essentially composed of three key steps: foam generation, mixing of reactants and foam solidification and requires the optimisation of foam stability in conjunction with an appropriate choice of both foaming time and solidification time. Furthermore, a good homogeneity of the polymer foam calls for a good mixing of the different reactants involved in the foaming and the polymerisation.A particularly powerful demonstration of the advantages of this approach is given by solidifying monodisperse liquid foams generated using millifluidic technique, in which all bubbles have the same size. In a liquid foam, equal-volume bubbles self-order into periodic, close-packed structures under gravity or confinement. As such, monodisperse foams provide simultaneous control over the size and the organisation of the pores in the final solid with an accuracy which is expected to give rise to a better understanding of the structure-property relationship of porous solids and to the development of new porous materials.We therefore aim to explore the new spectrum of properties, which polymer foams offer when we introduce an ordered structure into them since the most widely used polymer foams nowadays have disordered structures. The goal of our study is to demonstrate the feasibility of this two-step approach for different classes of polymers, including biomolecular hydrogel, superabsorbent polymer and polyurethane.For the generation of the structured polymer foams we use Lab-on-a-Chip technologies which allow the “shrinking” of large-scale set-ups to micro/millimetic scale. It permits also to perform “flow chemistry” in which the various liquid and gaseous ingredients of the foam are injected and mixed in a purpose-designed network of the micro- and millifluidic Lab-on-a-Chip. We adjust this approach according to the requirements of each polymer system, i.e. the foaming and the mixing techniques are chosen to fit the properties of each system, and can be exchanged to fit the properties of the studied systems.

Ce travail porte sur le développement d’une technique de calorimétrie sans contact pour des écoulements diphasiques. Ces derniers sont réalisés sur la forme d’un train gouttes dans des tubes de taille millimétriques dans des supports isopériboliques. L’idée principale est de coupler la Thermographie Infrarouge et les outils microfluidiques pour proposer une technique adapté de mesure. L’utilisation de la microfluidique rend possible l’utilisation de très faibles volumes réactionnels limitant ainsi tout risque lié à la dangerosité des réactions réalisées au sein des gouttes, l’outil Infrarouge permet de suivre ces écoulements avec grande précision. Les résultats de ces travaux de thèse montrent que l’outil est capable d’estimer des propriétés thermo-physiques des écoulements non réactifs. Ainsi, que de caractériser de réactions chimiques en termes d’enthalpie et cinétique. Finalement cette dernière caractérisation a été comparée aux techniques classiques pour mettre en évidence la précision et les avantages de l’outil développé / This work concerns the development of a non-contact calorimeter for two-phase flow characterization. The biphasic flow is performed under a droplet configuration inside millimetric tubings which are inserted into the isoperibolic chip. The main idea is to combine the Infrared Thermography and microfluidic tools to propose a suitable technique for accurate measurements. Microfluidics enables the use of small reaction volumes thus limiting any risk of dangerous reactions inside droplets, the Infrared tool enables to monitor the thermal signature of these flows with high accuracy. The results of this thesis show that this tool is able to estimate the thermophysical properties of non-reactive flows. Also , it is possible to characterize chemical reactions in terms of enthalpy and kinetics . Finally the latter characterization was compared to conventional techniques to demonstrate the benefits and the precision of the tool.

La mousse est un matériau fascinant nous accompagnant au quotidien depuis des siècles, mais sa complexité fait qu’il est difficile de comprendre et contrôler ses propriétés. L’objet de cette thèse expérimentale est de montrer par deux exemples que si l’on contrôle les écoulements ayant lieu lors de la génération de la mousse et pendant sa vie on peut alors avoir un très bon contrôle de ses propriétés structurelles et sa stabilité. Dans la première partie j’étudie la génération de mousse constituée de bulles micrométriques par un écoulement diphasique cyclique dans un tuyau connectant deux seringues. Cette technique permet de varier la fraction liquide sans affecter les distributions de tailles de bulle. Je montre que ces distributions sont essentiellement contrôlées par la présence de constrictions dans le tuyau connectant les seringues et par les propriétés physico-chimiques de la solution moussante. Mes résultats montrent que ce n’est pas le vieillissement de la mousse mais bien les instabilités hydrodynamiques qui contrôlent la taille caractéristique des bulles. Avec diverses expériences modèles de millifluidique en régime inertiel je mets en évidence ce qui semble être un nouveau processus de fragmentation de bulles. L’accélération et la décélération des bulles lors de leur passage dans une constriction seraient le moteur de cette fragmentation. Le lien précis reste à quantifier dans de futurs travaux. Dans un second temps je montre qu’il est possible de faire des films minces, libres et d’une grande stabilité avec un fondu de copolymère en peigne de PDMS-g-PEG-PPG à température ambiante, sans ajout d’agents stabilisants. Les expériences de caractérisation indiquent que c’est un liquide newtonien ayant une faible tension de surface ne présentant pas de transition de phase à température ambiante. J’ai étudié de manière approfondie le drainage de films verticaux et horizontaux, qui se fait par un écoulement laminaire du liquide confiné entre les deux interfaces liquide/air. A l’aide d’une balance à film mince microfluidique développée pour l’étude des liquides visqueux je rapporte l’apparition de stratifications dans les films très minces. Celles-ci ont la même taille que la longueur caractéristique du fondu, lié soit à la taille du polymère, soit à une micro-séparation de phase. Le drainage et la stabilité sont donc potentiellement contrôlés par cet écoulement stratifié, mais il reste à comprendre si la stratification est la conséquence d’un simple effet de confinement ou d’une micro-séparation de phase près de l’interface. / Foam is a fascinating matter which has been broadly used for centuries, but its complexity makes it difficult to understand and control its properties. The subject of this experimental thesis is to show through two examples that by controlling the flows during the generation and lifetime of the foam its stability and structural properties may be better controlled. In the first part I study the generation of foams made of microscopic bubbles by a cyclic diphasic flow in a tube connecting two syringes. With this technique one can vary the liquid fractions without changing the bubble size distributions. I show that these distributions are mainly controlled by the presence of constrictions in the tubing connecting the syringes and by the physico-chemical properties of the foaming solution. My results show that the characteristic bubble size is not fixed by foam ageing effects but by hydrodynamic instabilities. With various millifluidic model experiments in the inertial regime I highlight what seems to be a new mechanism of bubble fragmentation. The acceleration and deceleration of the bubbles when going through a constriction would be the driving effect of this process. The precise link still has to be established. In the second part I show that it is possible to make highly stable free-standing films made of a comb-copolymer melt of PDMS-g-PEG-PPG, at room temperature, and without stabilising agents. The characterisation of this melt reveals that it is a newtonian liquid with a low surface tension and not subject to phase transitions at room temperature. I studied intensively the drainage of vertical and horizontal films, which is a laminar flow of the liquid confined between its two liquid/air interfaces. Using a millifluidic thin film pressure balance, developed for the study of viscous liquids, I report the formation of stratifications in very thin films. Theses stratifications have the same step hight than the characteristic length of the melt which we measured for the bulk, linked either to the size of the macromolecules or to micro-phase separation. The drainage and stability might be controlled by this stratified flow, but we still have to understand if it results from a simple confinement effect or from an interfacially driven micro-phase separation.