L'objectif de ce travail de thèse a été de produire des matériaux expansés à partir de produits d'origine naturelle, en particulier à partir de tanins. Au moment où cette thèse a débuté, des études étaient publiées sur la possibilité d'élaborer ce type de matériaux avec des formulations qui comportaient du formaldéhyde. Cela allait à l'encontre du caractère naturel recherché puisqu'en fait, on utilisait des produits naturels et les faisait réagir avec un produit cancérogène. Il n'était donc pas possible de les présenter comme des matériaux « verts ». Aussi, nous avons voulu au cours de ce travail, élaborer des matériaux expansés uniquement à partir de produits naturels ou en découlant. Les tanins sont des substances naturelles chimiquement actives qui peuvent être utilisées afin de remplacer des produits homologues dérivés du pétrole comme le phénol par exemple qui présente des caractéristiques de réactivité chimique très similaires à celles des tanins condensés. Des formulations comportant des tanins condensés ont d'ailleurs déjà été étudiées pour élaborer des matériaux expansés. En considérant cela, ce travail de thèse s'est déroulé sous la forme de différents projets convergents vers un objectif commun: la production de mousses aux tanins plus naturelles et plus intéressantes pour l'industrie. Cinq projets ont ainsi été menés : 1. analyses de différents tanins, condensés, hydrolysables et synthétiques ; 2. production de mousses aux tanins sans utilisation de formaldéhyde ; 3. production de mousses aux tanins sans solvants ; 4. production de mousses aux tanins rigides ou élastiques ; 5. production de mousses aux tanins, sans acides, mais avec une catalyse alcaline / The aim of this thesis was to produce foamed materials from natural products, especially from tannins. At the time this thesis began, studies were published on the possibility of doing this type of materials with formaldehyde containing formulations. This was contrary to the desired natural character because in fact, were used natural products reacted with carcinogenic product. It was not possible to present them as "green" materials. During this thesis our aim was to develop expanded materials only from natural or bio-derived raw materials. Tannins are chemically active natural substances that can be used to replace homologous oil derivatives such as phenol which has characteristics of chemical reactivity very similar to those of condensed tannins. Formulations containing condensed tannins have already been studied to develop expanded materials. Considering this argument, this thesis takes place in the form of various projects converging towards a common goal: production of foams with more natural impact and interesting for tannins industry. Five projects have been completed: 1. analysis of various tannins, condensed, hydrolysable and synthetic ; 2. tannin foams production without the use of formaldehyde ; 3. tannin foams production without solvents ; 4. tannin foams production with rigid or elastic behavior ; 5. tannin foams production without acids, but with an alkaline catalysis

Les mousses extinctrices sont utilisées sur les feux de catégorie B (solvants inflammables). L’efficacité des mousses actuelles contenant des agents moussants fluorés est apportée par la formation d’un film aqueux à la surface du carburant enflammé. Les entreprises recherchent et développent de nouveaux agents moussants sans fluor car ce type de tensioactif est nocif pour l’environnement et la santé. Des mousses très stables sont nécessaires pour qu'une couche épaisse de mousse résiste aux températures élevées et au démoussage par le solvant et évite ainsi la ré-inflammation.Dans ce travail, l’amélioration de la stabilité de la mousse a été réalisée en utilisant des épaississants dans une solution moussante avec des tensioactifs non fluorés. Des polysaccharides tels que la gomme xanthane ont été utilisés et ses interactions avec des tensioactifs ont été étudiés. Les complexes formés par ces interactions ont été utilisés dans le but d’améliorer la stabilité de la mousse et sa résistance aux flammes. Ceci engendre des mousses de plus faible moussabilité mais de plus grande stabilité. Des tests à échelle réduite ont été réalisés selon la norme EN1568 et ont montré l’efficacité de l’addition de gomme xanthane. Ces formulations innovantes associant des polysaccharides et des agents moussants sont de bonnes alternatives aux formules contenant des tensioactifs fluorés. Le mécanisme d’action des hydrotropes améliorant la moussabilité a aussi été étudié / Firefighting foams are used on class B fires (flammable solvents). The efficiency of currently used foams containing fluorinated foaming agents is ensured by the formation of an aqueous thin film on top of the burning solvent. The formation of such film requires the use of fluorinated surfactants that specifically adsorb at the water-air interface. Companies currently develop fluorine-free products for firefighting foams because this kind of surfactants is harmful for the environment and health. Very stable foams are necessary to the formation of a thick layer of foam that resists high temperatures and defoaming by the solvent, preventing fire re-ignition.In this work, improved foam stability was achieved by using thickeners in the foaming fluid together with the non-fluorinated surfactants. Polysaccharides such as xanthan gum were used and their interactions with surfactants were investigated. Complex species formed by such interactions were used in order to improve foam stability and resistance against flames. This causes a lower foamability but higher stability of foams. Small scale fires extinguishing experiments performed following the standard EN1568 showed the efficiency of xanthan gum addition. These innovative formulations combining polysaccharides and foaming agents are suitable alternatives to those containing fluorinated surfactants. The action mechanism of hydrotropes improving foamability has also been studied

Les constructeurs aéronautiques sont de plus en plus sensibles aux problèmes liés à la nuisance sonore due aux réacteurs des avions. De nos jours, on utilise les traitements acoustiques, qu'on appellera liners dans la suite du document, comme absorbeurs sonores. Ces absorbeurs sont sélectifs et leur comportement acoustique est non linéaire. Pour remédier à ces faiblesses, les mousses métalliques à porosité ouverte sont de bonnes candidates. On a réalisé une étude de faisabilité sur l'utilisation des mousses métalliques dans les traitements acoustiques (liners) des nacelles de réacteur d'avion. Notre étude a porté sur une mousse à base de Nickel et une autre à base d'acier inoxydable (Inox): le procédé de fabrication étant basé sur le même principe, soit celui breveté par l'Institut des Matériaux Industriels (IMI) du Conseil National de Recherches du Canada (CNRC). À partir de la caractérisation acoustique des mousses seules, on a pu vérifier que les mousses de Nickel ont un potentiel au niveau de l'absorption large bande et de la linéarité de la réponse acoustique en fonction du niveau d'excitation acoustique. Les résultats de simulations des performances acoustiques de concepts de liners intégrant les mousses de Nickel sont bons, surtout au niveau de la masse surfacique ces matériaux peuvent concurrencer les plaques perforées. Par contre, pour les mousses en Inox, il s'avère que leur porosité est en grande partie fermée et qu'elles souffrent d'une hétérogénéité au niveau de la taille et de la distribution des pores : ceci détériore leurs performances acoustiques en tant qu'absorbeur large bande. Toutefois cela ne diminue en rien l'intérêt que peuvent susciter ces matériaux. En effet on s'est aperçu qu'ils sont assimilables, à faible épaisseur, à des plaques perforées au niveau de leur réponse acoustique. L'utilisation de ces mousses à la place des plaques perforées peut être bénéfique surtout au niveau du poids. Au cours de notre étude, on s'est principalement intéressé aux performances acoustiques et à la masse surfacique des mousses. Les résultats obtenus sont bons. Par contre, pour donner une réponse claire quant à leur utilisation éventuelle dans les liners de moteur d'avion, d'autre éléments restent à être considérés, notamment le coût de production, les propriétés mécaniques, la fabrication à grande échelle, la formabilité et l'assemblage.

Cette thèse intègre la conception d'un matelas passif sur mesure permettant de limiter la formation des escarres de décubitus et se divise en deux phases. La première propose un nouvel outil de caractérisation de matelas passifs fournissant des informations sur la pression au contact et sur les propriétés mécaniques (support, viscoélasticité). Cet outil permet d'effectuer des comparaisons objectives par l'utilisation d'un protocole de mesure standard. La seconde phase correspond à la conception d'un matelas passif sur mesure. Une technologie originale à base de mousse de polyuréthane est utilisée pour la confection de la couche de support. Elle est dimensionnée à partir d'un algorithme, dénommé système expert. Ce dernier utilise comme données d'entrées l'interaction entre la couche de support et des corps rigides, qui est modélisée par la méthode des éléments finis, et la morphologie d'un être humain, qui est approximée par une nouvelle méthode faisant appel à un simple appareil photographique. Le système expert est validé expérimentalement et des tests cliniques démontrent le caractère préventif du matelas proposé.

Les travaux réalisés concernent l'opération de foisonnement en continu. Les résultats ont montré que la modification de la conduite de l'opération lors de l'ajout d'ingrédients dans une formulation doit tenir compte de trois effets à conditions opératoires fixées : l'augmentation de la viscosité de la matrice qui favorise la rupture des billes mais réduit la capacité à incorporer le gaz ; l'augmentation éventuelle de l'élasticité qui favorise la stabilisation des bulles en inhibant la coalescence, mais rend la rupture plus difficile ; les interactions protéines-polysaccarides qui peuvent favoriser ou défavoriser la stabilisation du gaz. Le rotor-stator n'est pas le disperseur le plus efficace ; son efficacité est proche de celle de la colonne de foisonnement qui permet en plus d'obtenir des bulles plus petites. La méthode d'analyse dimensionnelle permettant le calcul des contraintes à appliquer afin de maintenir d32 constant lors de l'extrapolation d'un foisonneur a pu être validée.

L'objet de cette étude est de mieux formaliser et modéliser de façon générique le processus de structuration d'un produit par le procédé de foisonnement, en reliant les paramètres opératoires aux propriétés des mousses formées et de contribuer ainsi à un meilleur pilotage de l'opération. Une ligne de foisonnement par battage en continu a été instrumentée et l'évolution du diamètre des bulles en fonction des paramètres du produit et du procédé a été suivie pour des milieux modèles newtoniens et rhéofluidifiants. L'analyse dimensionnelle à l'échelle du procédé a permis d'aboutir à un modèle physique de l'opération, et donc d'avoir une compréhension des phénomènes en présence. Elle a aussi permis d'intégrer les paramètres du produit et du procédé et de simplifier la représentation des résultats expérimentaux. Enfin, la cohérence de ce modèle avec d'autres issus de la littérature et une première approche de validation avec un produit réel, semble justifier son caractère générique. / The aim of this study is to better formalize and model in a generic way the structuring of a product by the foaming operation process, by linking the operating parameters to the foams properties and contribute to a better steering of the operation. A continuous whipping line was instrumented and the evolution of bubble diameter depending on both product and process parameters was characterized for Newtonian and shear-thinning model fluids. Dimensional analysis of the process has lead to a physical model of the operation, and therefore makes possible the understanding of the phenomena involved. It also helped to integrate the product and the process parameters and simplify the representation of experimental results. Finally, the consistency of this model with others from the literature and a first validation with a real product seems to justify his relevance.

Le moussage du polypropylène (PP) et du polystyrène (PS) par le scCO2 est étudié de manière systématique avec l’accent sur la relation entre le procédé, la microstructure et les propriétés mécaniques. La première partie de cette thèse porte sur l’amélioration de la résistance au choc du PP par cristallisation induite par le scCO2. Dans un deuxième temps, le PP fortement orienté avec des structures shish-kebab et sphérolite est utilisé pour étudier l’influence de la structure cristalline sur la nucléation et la croissance des cellules pendant le procédé de moussage sous le scCO2. Ensuite, les influences des conditions de moussage ainsi que celles des paramètres structuraux de la mousse de PS ont été étudiées. Les mousses de PS à cellules isotropes ont été comparées avec celles de PS à cellules orientées. Enfin, un procédé de moussage discontinu en deux étapes est développé afin de produire des mousses de PS à cellules bi-modales en utilisant le scCO2 en tant qu’agent de moussage. Cette structure unique de petites et grandes cellules réparties de manière homogène au travers de l’ensemble du volume de la mousse confère à cette dernière des propriétés particulières. / In this work, scCO2 induced foaming of PP or PS is systematically studied with emphasis on the relationship between process, microstructure and mechanical properties. The first part of the thesis deals with the toughening of iPP by scCO2 induced crystallization for the fine separation of rigid crystalline domains and soft amorphous ones in the polymer matrix. The highly oriented iPP with “shish-kebab” and “spherulite” are then used for CO2 foaming to investigate the effect of crystalline structure on the formation of cell nucleation and growth. In addition, the effect of the foaming conditions and the cell structural parameters of PS foams on the mechanical properties are studied systematically. PS foams with isotropic cell morphology and oriented cell one are prepared. Finally, a two-step depressurization batch process is developed to produce bi-modal cell structure PS foams by using scCO2 as the blowing agent. This unique cell structure with both small and large cells homogenously distributed throughout the entire volume of the foam sample might have particular properties.

L'objectif de ce mémoire de recherche est de déterminer les propriétés acoustiques des milieux poroélastiques à partir d'une démarche multi-échelle et multi-physique. Il traite d'échantillons réels de mousses, à cellules ouvertes ou partiellement fermées, dont les propriétés microstructurales sont caractérisées par des techniques d'imagerie. Cette information est utilisée afin d'identifier une cellule périodique idéalisée tridimensionnelle, qui soit représentative du comportement acoustique du milieu poreux réel. Les paramètres gouvernant les propriétés acoustiques du milieu sont obtenus en appliquant la méthode d'homogénéisation des structures périodiques. Dans une première étape, la structure des mousses est supposée indéformable. Il a été montré que pour le cas d'une distribution étroite de tailles caractéristiques de la géométrie locale, le comportement macroscopique d'une mousse à cellule ouverte peut être calculé à partir des propriétés géométriques locales de manière directe. Dans le cas d'une distribution étendue, le comportement acoustique du milieu est gouverné par des tailles critiques qui sont déterminées à partir de la porosité et de la perméabilité statique pour une mousse à cellules ouvertes ; pour une mousse à cellules partiellement fermées il est nécessaire d'identifier en plus une dimension connue de la géométrie locale. Nos résultats sont comparés avec succès à des données expérimentales obtenues par des mesures au tube d'impédance. Dans une seconde étape, les propriétés élastiques effectives du milieu poreux sont déterminées. Une modélisation par éléments finis de la cellule représentative a été mise en œuvre. Les paramètres élastiques calculés sont finalement comparés avec les données de la littérature, ainsi qu'à des essais mécaniques / This work aims at determining the acoustical properties of poro-elastic media through a multi-scale method. Some imaging techniques (tomography and micrographs) allow to estimate some quantitative microstructure properties of foams containing open or partially closed cells. These properties are used in order to clarify the features of a representative three-dimensional unit cell of a periodic structure, which mimics the behaviour of the real foam. All parameters controlling the acoustical properties of the porous foam are obtained by using the homogenization of periodic structures. In a first step, the structure of the foam is assumed to be rigid. It was shown that, in the case of a narrow distribution of the characteristic size of the local geometry, a direct computation of the macroscopic behaviour from the local geometrical properties is consistent with the measured acoustical properties. For a wide distribution of pore size, the acoustical behaviour is controlled by critical sizes that are obtained from porosity and static permeability for an open-cell foam, while for partially closed cells, the identification of a complementary characteristic dimension within the pores becomes necessary (e.g. closure rate of membranes). Our results compare well with data obtained from an impedance tube set-up. In a second step, effective elastic properties are computed through a modelling of the foam structure by finite elements. The computed elastic parameters are finally compared with data coming from the literature and with results of mechanical tests

La flottation ionique est un procédé de séparation permettant d'extraire et de concentrer des ions dans une mousse formée à l'aide d'un tensioactif. Pour les systèmes classiques, la forte interaction entre les ions et le tensioactif collecteur entraîne généralement la formation de précipités. Une fois la mousse collapsée, le résidu solide récupéré nécessite un traitement particulier pour permettre sa valorisation ou son conditionnement. Afin de remédier à cet inconvénient, ce travail propose d'utiliser comme collecteur un tensioactif carboxylique polyéthoxylé, l'AKYPO® RO 90 VG, ayant la particularité de former des complexes ion-tensioactifs solubles, et ce également avec des ions multichargés. Ce travail présente une étude poussée des mécanismes fondamentaux qui régissent l'extraction d'ions par formation de mousses. Dans une première partie, les propriétés tensioactives et acide base du collecteur en solution sont étudiées en combinant nombre de techniques indépendantes que sont le dosage pHmétrique, la tensiométrie et la diffusion aux petits angles. L'évolution de ces propriétés en présence de différents sels de nitrates (Nd, Eu, Ca, Sr, Cu, Li, Na, Cs) couplée à des mesures électrophorétiques donneront une première approche de la sélectivité. Enfin, l'ensemble de ces données associées à une étude de la formation des complexes tensioactif/ion permettra d'établir la spéciation du système Nd/AKYPO® en fonction du pH. Dans une seconde partie, l'analyse de la conductimétrie et de la diffusion de neutron aux petits angles permettront d'établir les paramètres régissant la formation et stabilité des mousses de flottation. Le pH et la nature des ions ajoutés, leur nombre de charge ainsi que leur nature chimique, apparaissent ainsi comme les paramètres majeurs gérant l'humidité et l'épaisseur de film des mousses. La dernière partie est dédiée à la compréhension des expériences d'extraction/séparation ionique par flottation en s'appuyant sur l'ensemble des résultats obtenus précédemment. Il est montré que la flottation du néodyme est fortement liée à sa spéciation, pouvant conduire à sa dés-extraction ou sa flottation sous forme particulaire. Il est également montré que le néodyme induit un phénomène de déplétion des ions monovalents dans la mousse. Cette spécificité ionique permet d'envisager le système étudié pour la séparation d'ions par le procédé de flottation. / Ion foam flotation allows to concentrate ions in a foam phase formed by a soap. For classical systems, the strong interaction between ions and surfactant generally leads to the formation of precipitates and of froth. When the froth collapses, the solid residue thus recovered requires a recycling or conversion. In order to remedy this, the present work uses as collector a polyethoxylated carboxylic surfactant, AKYPO® RO 90 VG, which forms soluble ion/surfactant complexes, even with multi-charge ions. This work presents a detailed study of the fundamental mechanisms that govern the extraction of ions by foaming. In the first part, surface activity and acid/base properties of the surfactant in solution are determined by combining numerous independant techniques which are pHmetric dosage, tensiometry and small angle scattering. The evolution of these properties in the presence of different nitrate salts (Nd, Eu, Ca, Sr, Cu, Li, Na, Cs) coupled with electrophoretic measurements give a first approach to selectivity. Finally, all of these data combined with a study of the formation of surfactant/ion complexes allow us to determine the speciation of Nd/AKYPO® system as a function of pH. In the second part, the analysis of the foam by conductivity and neutron scattering provides information on the wetness and foam film thickness, parameters governing foam stability. The pH and the nature of the added ions, their number of charge and also their chemical nature thus appear to be major parameters that governed wetness and foam film thickness. The last part is devoted to the understanding of the ion extraction/separation experiments by flotation based on all previous results. It is shown that the flotation of neodymium is strongly related to its speciation, which could lead to its re-extraction or its flotation in precipitated form. It is shown that, neodymium induces a phenomenon of mono-charge ion depletion in the foam. This ionic specificity allows to consider the studied system for ion separation by the flotation process.

Cette thèse porte sur la production et l’étude de mousses polymères microporeuses, par dissolution de gaz. Plusieurs techniques expérimentales ont été améliorées ou adaptées pour la réalisation des mousses et la caractérisation des systèmes étudiés. De plus il est démontré que les paramètres du procédé, tels que la pression et la température, permettent la différenciation entre les différentes voies de moussage utilisées. Ceux-ci ont une influence significative sur les caractéristiques finales des mousses. / This dissertation focuses on the production and study of microcellular polymer foams by gas dissolution foaming. Due to the novelty of this research field several experimental techniques have been improved or adapted to produce the foams but also to provide valuable information from the systems understudy. It is demonstrated that processing parameters, such as pressure and temperature, allow differentiating between our foaming routes, and present a significant influence on the foaming process and final characteristics of foam.