Dans ce travail, nous nous intéressons à la modélisation stochastique continue et à l'identification des propriétés élastiques dans la zone d'interphase présente au voisinage des hétérogénéités dans un nano composite prototypique, composé d'une matrice polymère modèle renforcée par une nano inclusion de silice. Des simulations par dynamique moléculaire (DM) sont tout d'abord conduites afin d'extraire certaines caractéristiques de conformation des chaînes proches de la surface de l'inclusion, ainsi que pour estimer, par des essais mécaniques virtuels, des réalisations du tenseur apparent associé au domaine de simulation. Sur la base des résultats obtenus, un modèle informationnel de champ aléatoire est proposé afin de modéliser les fluctuations spatiales du tenseur des rigidités dans l'interphase. Les paramètres du modèle probabiliste sont alors identifiés par la résolution séquentielle de deux problèmes d'optimisation inverses (l'un déterministe et associé au modèle moyen, l'autre stochastique et lié aux paramètres de dispersion et de corrélation spatiale) impliquant une procédure d'homogénéisation numérique. On montre en particulier que la longueur de corrélation dans la direction radiale est du même ordre de grandeur que l'épaisseur de l'interphase, indiquant ainsi la non-séparation des échelles. Enfin, la prise en compte, par un modèle de matrices aléatoires, du bruit intrinsèque généré par les simulations de DM (dans la procédure de calibration) est discutée / This work is concerned with the stochastic modeling and identification of the elastic properties in the so-called interphase region surrounding the inclusions in nanoreinforced composites. For the sake of illustration, a prototypical nanocomposite made up with a model polymer matrix filled by a silica nanoinclusion is considered. Molecular Dynamics (MD) simulations are first performed in order to get a physical insight about the local conformation of the polymer chains in the vicinity of the inclusion surface. In addition, a virtual mechanical testing procedure is proposed so as to estimate realizations of the apparent stiffness tensor associated with the MD simulation box. An information-theoretic probabilistic representation is then proposed as a surrogate model for mimicking the spatial fluctuations of the elasticity field within the interphase. The hyper parameters defining the aforementioned model are subsequently calibrated by solving, in a sequential manner, two inverse problems involving a computational homogenization scheme. The first problem, related to the mean model, is formulated in a deterministic framework, whereas the second one involves a statistical metric allowing the dispersion parameter and the spatial correlation lengths to be estimated. It is shown in particular that the spatial correlation length in the radial direction is roughly equal to the interphase thickness, hence showing that the scales under consideration are not well separated. The calibration results are finally refined by taking into account, by means of a random matrix model, the MD finite-sampling noise

Les enjeux environnementaux liés à l'utilisation des fluides de coupe lors des étapes d'usinage, nécessitent le développementde nouveaux matériaux résistant à une utilisation en lubrification réduite, voire à sec. Le domaine des revêtements en couchesminces et plus particulièrement des dépôts physiques en phase vapeur (PVD) permet de synthétiser des surfaces adaptées à cetype d'utilisation sévère. Le nitrure de titane (TiN), largement utilisé dans l'industrie, montre toute l'efficacité de cesrevêtements. Ses performances sont cependant limitées à des températures modérées. Au contraire, le caractère réfractairemarqué du nitrure de chrome (CrN) en fait un candidat de choix pour des applications à hautes températures. Les propriétésmécaniques de ces nitrures sont certes moindres, mais le développement récent de microstructures nanométriques laisseaugurer des performances intéressantes que nous nous proposons d'étudier. L'objectif de ce travail est de déterminer l'influenced'une microstructure contrôlée à l'échelle nanométrique sur la durabilité de films minces base CrN, synthétisés par évaporationpar arc cathodique. Les différentes microstructures sont obtenues par modification chimique (addition d'aluminium et desilicium) ou par alternance des couches.L'ajout d'aluminium à CrN aboutit à la formation d'une solution solide et améliore les propriétés mécaniques du revêtement.La résistance à l'oxydation est augmentée par la présence de liaisons fortes Al-N, qui permettent de limiter le départ d'azote etainsi de retarder le phénomène d'oxydation. De plus, la démixtion de la phase initiale CrAlN en deux phases distinctes, CrN etAlN, tend à isoler les grains de CrN et ainsi à améliorer leur stabilité thermique. La même transformation est observée aprèsles essais de frottement et semble à l'origine des performances accrues du dépôt vis-à-vis de l'usure. L'addition de silicium setraduit par la synthèse d'un revêtement nanocomposite pour une teneur minimale d'environ 2 % at. Cette structure est forméede grains nanométriques enrobés dans une matrice amorphe. Le changement de structure s'accompagne d'une meilleurerésistance à l'oxydation, en raison des propriétés de barrière diffusionnelle de la matrice qui protège les nano-grains de CrN.En revanche, une fraction volumique trop importante de la phase amorphe apparaît préjudiciable au comportementtribologique. Le revêtement présente dans ce cas un comportement fragile, favorisant la formation et la propagation defissures. L'emploi de ces mêmes films (CrN et CrSiN) en architecture nanostratifiée inhibe néanmoins ce comportement. Desessais de micro-traction montrent que l'alternance des couches permet de limiter la formation de fissures, si bien quel'architecture multicouche semble prometteuse dans le cas de sollicitations sévères. De même, la stratification de CrN etCrAlN donne des revêtements extrêmement durables, malgré des propriétés mécaniques intermédiaires régies par une loi desmélanges.L’originalité de ce travail réside dans la détermination des mécanismes de dégradation des différentes microstructures, d’unepart en établissant le lien entre microstructure et propriétés d’usage, et d’autre part en considérant ces dégradation selon uneapproche in situ locale. / Environmental issues related to the use of metalworking fluids during machining steps require the development of newresistant materials operating in “Near Dry Machining” or in “Dry Machining” conditions. The field of thin coatings and moreparticularly Physical Vapor Deposition (PVD) enable the synthesis of resistant materials. Titanium nitride (TiN) is widely usedin industry and is an example of the efficiency of coatings. However, the poor oxidation resistance of this coating limits itsuse. On the contrary, chromium nitride (CrN) is an excellent candidate for applications at high temperatures despite its lowermechanical properties. The recent development of nanostructured coatings can overcome such inconvenience. The objectiveof this work is to study the influence of a controlled nanoscale microstructure on the durability of CrN thin films synthesizedby cathodic arc evaporation. The different microstructures are obtained by silicon or aluminum addition, or by alternatinglayers (multilayer structure).Adding aluminium to CrN leads to the formation of a solid solution and improves the mechanical properties of the coating.Resistance to oxidation is increased by the strong Al-N bonds, which limit nitrogen release, and thus delay the oxidation. Inaddition, the phase separation of CrAlN into CrN and AlN isolates the CrN grains from the surrounding atmosphere andincreases their thermal stability. The same phenomenon is detected after friction tests and seems to account for the improvedwear resistance. Silicon addition results in the formation of a nanocomposite coating for a minimum content of about 2 at.%.This structure is composed of nanometric grains embedded in an amorphous matrix. The structure change is followed by asignificant increase in the oxidation resistance, due to the diffusional barrier properties of the matrix, protecting thereby theCrN nano-grains. In contrast, a too large fraction of amorphous phase appears detrimental to the tribological behavior. Thecoating becomes brittle and is prone to cracks emergence. The use of these individual layers in a multilayer coating can avoidthis last consequence. Thanks to a micro-tensile machine, the alternating architecture was found to limit the cracks formation.Layered film seems thus to be very promising in the case of severe working conditions. Similarly, stratification between CrNand CrAlN allows the synthesis of highly sustainable coatings despite the mechanical properties governed by a law ofmixtures.The originality of this work lies in determining the degradation mechanisms of the different microstructures by establishingthe link between microstructure and wear properties on the one hand, and by in situ observation of damages on the other hand.

Le principal objectif de cette thèse est de définir les conditions d’obtention de nanocomposites sous forme de fils de polyéthylène téréphtalate chargés dont la capacité d’absorbant hyperfréquence est exaltée dans le domaine 300 MHz à 3 GHz. Le procédé de fabrication de fil repose sur une technique d’extrusion qui a été adaptée de l’échelle industrielle vers l’échelle du laboratoire.Cet objectif principal se subdivise ainsi en plusieurs objectifs secondaires :Rationalisation et compréhension du procédé d’extrusion à l’échelle industrielle : les paramètres expérimentaux de la ligne d’extrusion ont été établis empiriquement par un industriel. Ces valeurs paramétrées de températures et de vitesses conditionnent ainsi la résistance mécanique et le diamètre du fil produit. Un des problèmes récurrents dans la plasturgie est la variabilité des lots de matière première et l’ajustement des paramètres expérimentaux qui en découlent. L’influence de chacun de ses paramètres sur les caractéristiques physico-chimiques du fil à chaque étape de la ligne est actuellement inconnue des industriels. Une compréhension de ces paramètres expérimentaux pourrait permettre un ajustement plus simple de ceux-ci en fonction des lots et une optimisation du procédé d’extrusion.Étude de l’homothétie entre la réplique miniature et la ligne d’extrusion originale : la ligne d’extrusion de laboratoire a été créée à partir du modèle de la ligne d’extrusion industrielle. Les dimensions ont ainsi été réduites et la disposition des différents éléments a été adaptée. Ce redimensionnement pose le problème de la réelle homothétie entre les deux lignes. Des critères de conformité seront ainsi établis pour permettre une comparaison entre les deux lignes.Étude de la matière polyéthylène téréphtalate : l’objectif est d’étudier les différentes transitions de phases d’un polymère semi-cristallin pouvant se produire lors du procédé d’extrusion. Les mécanismes de cristallisation et la nature des cristallites qui sont formées sont effectivement déterminants pour la tenue mécanique du fil ciblée par l’industriel.Blindage électromagnétique et permittivité diélectrique : les processus et les grandeurs physiques à l’origine de l’interaction d’une onde électromagnétique avec un matériau permettront d’aboutir aux propriétés physiques ciblées pour le blindage électromagnétique. La permittivité diélectrique et notamment la partie imaginaire relative aux pertes est une grandeur déterminante pour notre application.Nanocomposites pour le blindage électromagnétique : une étude bibliographique approfondie permettra de déterminer une liste d’additifs potentiels pour le blindage électromagnétique. Cette étude se focalisera sur les matériaux compatibles avec la nature de la matrice polymère polyéthylène téréphtalate. L’axe de recherche principal portera sur les matériaux absorbants dans la gamme des hyperfréquences.Étude du niveau de blindage électromagnétique apporté par les charges : des échantillons de polyéthylène téréphtalate vierge et chargés, sous forme de plaques, permettront de chiffrer l’efficacité de blindage électromagnétique avec un dispositif de mesure créé au laboratoire.Conception de fil conformément aux attentes de l’industriel : un des objectifs ciblés est de réussir à transposer les paramètres d’extrusion de fil de polyéthylène téréphtalate à un fil de nanocomposite chargé. Ceci passera par une étude complète des caractéristiques physico-chimiques et des mécanismes de cristallisation.Enfin, un des objectifs ciblés par cette thèse est de proposer aux industriels une technique d’analyse fiable, simple et rapide pour caractériser et identifier leurs produits. / The main objective of this thesis is to define the conditions for manufacturing a nanocomposites in the form of charged polyethylene terephthalate wires suitable for an electromagnetic shielding. The wire manufacturing process is based on an extrusion technique that has been adapted from the industrial scale to the laboratory scale.This main objective of this study is then subdivided into several secondary objectives:Rationalization and understanding of the extrusion process on an industrial scale: the experimental parameters of the extrusion line were established empirically by an industrialist. These parameterized values of temperatures and drawing rates thus condition the mechanical strength and the diameter of the wire produced. One of the recurring problems in the plastics industry is the variability of batches of raw material and the adjustment of experimental parameters that results. The influence of each of its parameters on the physicochemical characteristics of the wire at each step of the line is currently unknown to industrialists. An understanding of these experimental parameters could lead to a simpler adjustment of these parameter and to an optimization of the extrusion process.Study of the homothety between the miniature replica and the original extrusion line: the laboratory extrusion line was created from the model of the industrial extrusion line. The dimensions have been reduced and the layout of the various elements has been adapted. This resizing poses the problem of the real homothety between the two lines. Compliance criteria will be established to allow a comparison between the two lines.Study of the polyethylene terephthalate material: the objective is to study the different phase transitions of a semicrystalline polymer that may occur during the extrusion process. The crystallization mechanisms and the nature of the crystallites that are formed are indeed determining for the mechanical strength of the yarn targeted by the manufacturer.Electromagnetic shielding and dielectric permittivity: the processes and the physical quantities at the origin of the interaction of an electromagnetic wave with a material will lead to the targeted physical properties for the electromagnetic shielding. The dielectric permittivity and in particular the imaginary part relating to losses is a determining variable for our application.Nanocomposites for Electromagnetic Shielding: An in-depth literature review will determine a list of potential additives for electromagnetic shielding. This study will focus on materials compatible with the nature of the polyethylene terephthalate polymer matrix. The main research focus will be on absorbent materials in the microwave range.Study of the level of electromagnetic shielding provided by the charges: samples of raw polyethylene terephthalate and loaded, in the form of plates, will be used to quantify the electromagnetic shielding effectiveness with a measurement device created in the laboratory.Wire manufacturing at the laboratory scale : one of the targeted objectives is to successfully transpose the extrusion parameters of polyethylene terephthalate wire to a loaded nanocomposite wire. This will go through a complete study of physicochemical characteristics and crystallization mechanisms.Finally, one of the objectives targeted by this thesis is to offer manufacturers a reliable, simple and fast analysis technique to characterize and identify their products.

L'objectif de cette thèse a été de démontrer la pertinence du procédé sol-gel photoinduit pour la synthèse de films nanocomposites originaux à partir de précurseurs hybrides mono- et bis-silylés. Bien que mentionné dans la littérature, ce procédé basé sur une catalyse via des super-acides de Bronsted créés par la photolyse d'un photogénérateur d'acides reste à ce jour très marginal. Selon la nature des précurseurs mis en oeuvre, la photopolymérisation sol-gel a parfois été combinée à une photopolymérisation organique pour mener à l'obtention en une seule étape de réseaux hybrides organique-inorganique. Au cours de ces travaux, l'accent a tout d'abord été mis sur la caractérisation structurale des matériaux synthétisés. Pour cela, des mesures par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, résonance magnétique nucléaire du 29Si et du 13C en phase solide et diffraction des rayons X ont été réalisées. Ces études ont permis de révéler les nombreux avantages liés à la voie photochimique tels que la forte réactivité, le caractère vivant de la réaction, l'absence d'eau ou de solvant et l'obtention de matériaux organisés à l'échelle locale. Enfin, l'originalité de cette étude a également résidé dans la mise en œuvre de nombreuses techniques de caractérisation thermo-mécanique des films : analyse mécanique dynamique, calorimétrie différentielle à balayage, nanoindentation, tribologie et tests de résistance à la rayure. L'influence de la nature chimique de la fonctionnalité organique du précurseur employé a ainsi pu être soulignée et des corrélations entre microstructure et propriétés finales des matériaux photopolymérisés ont été établies. / The present work questioned the interest of sol-gel photopolymerization as a novel route to synthesize nanocomposite films from hybrid mono- and bis-silylated precursors. The potentialities of this process that is based on a catalysis promoted by photogenerated Bronsted superacids have been poorly investigated so far. Depending on the precursor nature, the sol-gel photopolymerization was possibly combined with an organic photopolymerization in a view to generate the dual crosslinking of the organic and inorganic networks in a single step. A first aspect of this work concemed the structural properties of the hybrid films: Fourier transformed IR spectroscopy, 29Si and 13C solid state Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy and X-rays analysis were thus implemented. These experiments highlighted the numerous advantages of the photoinduced sol-gel process: its high reactivity, its living character, the absence of water or solvent and the local organization in the resulting films. Finally, the thermo-mechanical properties of the UV­ cured materials were assessed by using a wide range of characterization techniques: dynamic mechanical analysis, differentia!scanning calorimetry, nanoindentation, tribological and scratch tests. The effect of the organic moiety functionality of the precursors was thus evidenced and relationships between microstructure and properties ofthe hybrid films were established.

L’objectif de ce travail a été de procéder au design de nouvelles structures hyperramifiées en procédant à la synthèse de polymères à base de glycidol utilisables dans l’élaboration de copolymères biodégradables, de macromonomères fonctionnels et de nanocomposites magnétiques biocompatibles. Une première partie de ces travaux s’est intéressée, à la synthèse de macromonomères hyperramifiés amorcés par l’hydroxyéthyle méthacrylate (HEMA), l’hydroxyéthyle acrylate (HEA) et le polyéthylène glycol méthacrylate (PEGMA), par polymérisation anionique, anionique coordinée ou cationique du glycidol. La synthèse de macromonomères poly(ε-caprolactone) en présence de différents systèmes catalytiques et amorceurs a également été investiguée. Cette partie se termine par la synthèse de dendrigrafts issus de la polymérisation de ces macromonomères, par voie radicalaire classique ou contrôlée (RAFT/ATRP). La seconde partie de ce travail a été consacrée à la synthèse de copolymères hyperramifiés biocompatibles obtenus par copolymérisation statistique du glycidol en présence d’ε-caprolactone, en vu de l’obtention de copolymères hydrolysables. L’impact de la structure sur les propriétés physico-chimiques des copolymères obtenus a été étudié. Enfin, le caractère biodégradable de ces polymères a été investigué à travers différents tests de dégradation enzymatique. Enfin, ce travail s’est focalisé sur l’élaboration de nanocomposites magnétiques biocompatibles par la synthèse de nanoparticules magnétiques, puis l’immobilisation de polymères linéaires ou hyperramifiés à leur surface selon différentes méthodes de greffage chimique. / The aim of this work was to proceed to the design of new hyperbranched structures through the synthesis of glycidol-based polymers which can be used in the development of biodegradable copolymers, functional macromonomers and biocompatible magnetic nanocomposites. The first part of this work was the synthesis of hyperbranched macromonomer initiated by hydroxyethyl methacrylate (HEMA), hydroxyethyl acrylate (HEA) and polyethylene glycol methacrylate (PEGMA), through the study of the synthesis of polyglycerol (PG) by anionic, anionic coordinated and cationic polymerization of glycidol. Synthesis of poly (ε-caprolactone) macromonomers in the presence of various catalyst systems and initiators was also investigated. This part ends by the synthesis of dendrigrafts derived from the copolymerization of the macromonomers, by free radical polymerization or by controlled radical polymerization. The 2nd part of this work has been devoted to the synthesis of hyperbranched biocompatible copolymers obtained by random copolymerization of glycidol with ε-caprolactone in order to obtain hydrolyzable copolymers. The impact of the structure of the copolymers on their physico-chemical properties was then investigated. The biodegradable behavior of these polymers was then investigated through different enzymatic degradation tests. Finally, this work was focused on the development of biocompatible magnetic nanocomposites by the synthesis of magnetic nanoparticles and the immobilization of linear or hyperbranched polymers on their surface by different chemical grafting methods.

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Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: The purpose of this study was to develop modi ed tract-etched membranes using nanocomposite TiO2 for advanced water treatment processes. Photocatalytic oxidation and reduction reactions take place on TiO2 surfaces under UV light irradiation, therefore sunlight and even normal indoor lighting could be utilised to achieve this effect. In membrane ltration, caking is a major problem, by enhancing the anti-fouling properties of photocatalysts to mineralise organic compounds the membrane life and e ciency can be improved upon. In this study the rst approach in nanocomposite membrane development was to directly modify the surface of polyethylenetherephthalate (PET) track-etched membranes (TMs) with titanium dioxide (TiO2) using inverted cylindrical magnetron sputtering (ICMS) for TiO2 thin lm deposition. The second approach was rst to thermally evaporate silver (Ag) over the entire TM surface, followed by sputtering TiO2 over the silver-coated TM. As a result a noble metal-titania nanocomposite thin lm layer is produced on top of the TM surface with both self-cleaning and superhydrophilic properties. Reactive inverted cylindrical magnetron sputtering is a physical vapour deposition method, where material is separated from a target using high energy ions and then re-assimilated on a substrate to grow thin lms. Argon gas is introduced simultaneously into the deposition chamber along with O2 (the reactive gas) to form TiO2. The photocatalytic activity and other lm properties, such as crystallinity can be in uenced by changing the sputtering power, chamber pressure, target-to-substrate distance, substrate temperature, sputtering gas composition and ow rate. These characteristics make sputtering the perfect tool for the preparation of di erent kinds of TiO2 lms and nanostructures for photocatalysis. In this work, the utilisation of ICMS to prepare photocatalytic TiO2 thin lms deposited on track-etched membranes was studied in detail with emphasis on bandgap reduction and TM surface regeneration. Nanostructured TiO2 photocatalysts were prepared through template directed deposition on track-etched membrane substrates by exploiting the good qualities of ICMS. The TiO2-TM as well as Ag-TiO2-TM thin lms were thoroughly characterised. ICMS prepared TiO2 lms were shown to exhibit good photocatalytic activities. However, the nanocomposite Ag-TiO2 thin lms were identi ed to be a much better choice than TiO2 thin lms on their own. Finally a clear enhancement in the photocatalytic activity was achieved by forming the Ag-TiO2 nanocomposite TMs. This was evident from the band-gap improvement from 3.05 eV of the TiO2 thin lms to the 2.76 eV of the Ag-TiO2 thin lms as well as the superior surface regenerative properties of the Ag-TiO2-TMs. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doel van hierdie studie was om verbeterde baan-ge etste membrane (BMe) met behulp van nano-saamgestelde titaandioksied (TiO2) vir gevorderde water behandeling prosesse te ontwikkel. Fotokatalitiese oksidasie- en reduksie reaksies vind plaas op die TiO2 oppervlaktes onder UV-lig bestraling, en dus kan sonlig en selfs gewone binnenshuise beligting gebruik word om die gewenste uitwerking te verkry. In membraan ltrasie is die aanpaksel van onsuiwerhede 'n groot probleem, maar die verbetering van die self-reinigende eienskappe van fotokatalisators deur organiese verbindings te mineraliseer, kan die membraan se leeftyd en doeltre endheid verbeter word. In hierdie studie was die eerste benadering om nano-saamgestelde membraan ontwikkeling direk te verander deur die oppervlak van polyethylenetherephthalate (PET) BMe met 'n dun lagie TiO2 te bedek, met behulp van reaktiewe omgekeerde silindriese magnetron verstuiwing (OSMV).Die tweede benadering was eers om silwer (Ag) termies te verdamp oor die hele BM oppervlak, gevolg deur TiO2 verstuiwing bo-oor die silwer bedekte BM. As gevolg hiervan is 'n edelmetaal-titanium nano-saamgestelde dun lm laag gevorm bo-op die oppervlak van die BM, met beide self-reinigende en verhoogde hidro liese eienskappe. OSMV is 'n siese damp neerslag metode, waar materiaal van 'n teiken, met behulp van ho e-energie-ione, geskei word, en dan weer opgeneem word op 'n substraat om dun lms te vorm. Argon gas word gelyktydig in die neerslag kamer, saam met O2 (die reaktiewe gas), vrygestel om TiO2 te vorm. Die fotokatalitiese aktiwiteit en ander lm eienskappe, soos kristalliniteit, kan be nvloed word deur die verandering van byvoorbeeld die verstuiwingskrag, die druk in die reaksiekamer, teiken-tot-substraat afstand, substraattemperatuur, verstuiwing gassamestelling en vloeitempo. Hierdie eienskappe maak verstuiwing die ideale hulpmiddel vir die voorbereiding van die verskillende soorte TiO2 lms en nanostrukture vir fotokatalisasie. In hierdie tesis word OSMV gebruik ter voorbereiding van fotokatalitiese TiO2 dun lms, wat gedeponeer is op BMe. Hierdie lms word dan in diepte bestudeer, met die klem op bandgaping vermindering en BM oppervlak hergenerasie. Nanogestruktureerde TiO2 fotokataliste is voorberei deur middel van sjabloongerigte neerslag op BM substrate deur die ontginning van die goeie eienskappe van OSMV. Die TiO2-BM dun lms, sowel as Ag-TiO2-BM dun lms, is deeglik gekarakteriseer. OSMV voorbereide TiO2 dun lms toon goeie fotokatalitiese aktiwiteite. Nano-saamgestelde Ag-TiO2 dun lms is egter ge denti seer as 'n veel beter keuse as TiO2 dun lms. Ten slotte is 'n duidelike verbetering in die fotokatalitiese aktiwiteit bereik deur die vorming van die Ag-TiO2 nano-saamgestelde BMe. Dit was duidelik uit die bandgapingverbetering van 3,05 eV van TiO2 dun lms in vergelyking met die 2,76 eV van Ag-TiO2 dun lms. 'n Duidelike verbetering is behaal in die fotokatalitiese aktiwiteit deur die vorming van die Ag-TiO2 nano-saamgestelde TMs.

Volatile organic compounds (VOCs) in air and heavy metal ions, anions, microorganism in water are environmental contaminants that require detection at certain low concentrations to avoid detrimental effects. Analytical instruments can accurately determine the concentration and composition of the contaminants at trace levels. However, these methods require skilled personnel to operate. Hence sensors should have fast response, low maintenance and easy to handle. In the present work, environmental monitoring sensor for volatile organic compounds, anion and E. coli was developed. The sensor is resistive sensor architecture with organic nanocomposite as sensing layer. The conjugated organic molecule with receptor moieties that can interact and exhibit affinity to each of the analyte was designed and synthesized. A new conducting polymer for sensing toluene, aldehyde is designed and fabricated. The sensor shows highest sensitivity and selectivity for targeted analyte. The sensor response is explained by molecular dynamics simulation. The solubility parameter of the new polymers is calculated by molecular dynamics and is used for elucidation of rationale of the mechanism for selectivity. The interaction energy of the sensing layer calculated by simulation is higher for targeted analyte than that for other analytes. The adsorption of vapors on the sensing layer results in volumetric change of the sensing layer. The effect can be experimentally determined by monitoring the thickness of the film and the change in the parameters such as mass change, capacitance, resistance change, refractive index change that occurs due to absorption of vapors in the polymers. Here, laser Doppler vibrometry, a non contact method is used to measure the displacement occurring due to interaction of a new polymer film with analyte vapors. A sensor for real time monitoring of nitrate ion concentration in water is fabricated. A new conjugated polymer is designed for selection of nitrate is used as a sensing molecule. The sensor is tested for various concentrations of nitrate ions and possible interferents effect. An organic nanocomposite based resistive sensor is designed and fabricated to detect E. coli in water. The organic molecule with receptor groups was selected such that receptor group would interact and exhibit affinity to the functional groups present on outer membrane of the cell wall of the E. coli. The resistance change is caused due to interaction and is because of E. coli acting as p-dopant to sensor molecule. The electrostatic interaction between positively charged amine groups on sensor molecule and negatively charged E. coli is believed to be the interaction mechanism. This work demonstrates that the conjugated molecules with suitable moieties can bind with analyte like VOCs, heavy metal ions, anions, microorganism, that can be used as sensing element in resistive sensor architecture.

Les élastomères chargés sont des matériaux nanocomposites présentant un compromis de propriétés unique exploité notamment dans les bandes de roulement des pneumatiques. Ils comprennent une charge renforçante, silice ou noir de carbone, qui doit présenter un module élevé, des dimensions nanométriques, et avoir la capacité de se disperser et de former des liaisons fortes avec la matrice. La nanocellulose est caractérisée par une morphologie anisotrope avec une section de l’ordre de 10 nm, et une structure cristalline avec un module d’environ 150 GPa. L’objectif de la thèse est d’évaluer si ce substrat peut être employé comme charge renforçante. Les travaux se divisent ainsi en trois parties portant successivement sur l’obtention d’aérogels de haute surface spécifique, la modification de leur surface, puis leur emploi comme renfort. La mise au point d’un protocole de lyophilisation de suspensions de nanocellulose, et d’un procédé d’estérification par voie gaz des aérogels obtenus, a permis d’obtenir des charges avec une haute surface spécifique et une interface avec un agent hydrophobe ou un agent de couplage. Une attention particulière a été accordée à la topochimie de la réaction dont le suivi a été réalisée par RMN du solide. Ces charges ont ensuite été incorporées au sein d’un élastomère, puis les matériaux obtenus ont été caractérisés par MET et par des tests mécaniques. Dans le cas d’un aérogel de nanocellulose avec une haute surface spécifique et un agent de couplage, les propriétés des matériaux obtenus sont alors caractéristiques du comportement d’un élastomère chargé. / Filled elastomers are nanocomposites with specific properties that make them suitable for numerous applications including tyre gum. They include a reinforcing filler, silica or carbon black, with features like a high elastic modulus, a size in the nanometer range, and the ability to be dispersed and to perform strong interactions with the matrix. Nanocellulose is an anisotropic nanoparticule with a crystalline structure whose elastic modulus is estimated around 150 GPa. The goal of this project is to study its ability to be a reinforcing filler. The work is divided into three parts dealing respectively with high specific surface aerogel preparation, their surface modification, and their use as a filler. A specific freeze drying protocol and a specially designed gas phase esterification process were used in order to obtain fillers with a high specific surface and an interface that can be either covered by an hydrophobic or a coupling graft. A special care has been devoted to the topochemistry, which has been monitored all along the reaction thanks to solid state NMR. These fillers have then been introduced in elastomers, the resulting materials being characterized by TEM and mechanical tests. In the case of a high specific surface nanocellulose aerogel with an interface covered by coupling agent, material features appeared then to be typical of filled elastomers.

Cette thèse traite de la modification de surface des nanotubes de carbone avec des polymères Le chapitre I présente l'état de l'art des matériaux hybrides associant des liquides ioniques avec des nanotubes de carbone (NTC) ou du graphenes. Le chapitre II commence par un aperçu général de l'adsorption non-covalente de polymères sur la surface de NTC, suivi d'une description détaillée de l'étude réalisée sur la fonctionnalisation non covalente des nanotubes de carbone avec divers liquides ioniques polymérisable (LIP) à base d'imidazolium. Dans ce cadre, nous avons comparé deux méthodes expérimentales: la polymérisation in situ et le mélange en solution. Une des applications les plus importantes des NTC se situe dans le domaine des nanocomposites polymères/NTC. Le chapitre III décrit la formation de composites polyetherimide/NTC à partir des NTC-LIP obtenue dans la chapitre II. La préparation des composites en utilisant la méthode dite « solvent casting » est détaillée. Les NTC bruts, oxydés à l'acide nitrique et fonctionnalisé par le LIP ont été comparés. Des mesures mécaniques, thermiques et électriques de ces composées ont été aussi réalisées. Le dernier chapitre, divisé en deux sections, traite de la fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone avec une variété de polymères en utilisant deux approches différentes: "grafting from" et "grafting to". En utilisant la première approche, nous avons réalisé la croissance de chaînes de polyamide (PA) à partir de la surface de nanotubes de carbone fonctionnalisés avec le caprolactame par polymérisation anionique par ouverture de cycle. Les propriétés de traction des composites à base de PA ainsi préparées ont été étudiées. La polymérisation radicalaire de monomères vinyliques à base de LI de type imidazolium greffés à la surface de NTC est également présentée dans cette partie. Dans la deuxième partie du chapitre IV, nous présentons plusieurs stratégies de fonctionnalisation, y compris l'addition radicalaire et le greffage sur les défauts de NTC, pour la préparation des NTC fonctionnalisés de manière covalente avec des polymères compatibles avec des matrices époxy / This thesis deals with the surface modification of multi-walled carbon nanotubes with polymers with the aim to achieve a high level of dispersion in polymer matrices. Chapter I gives a comprehensive review of the state of the art of hybrids of ionic liquids with carbon nanomaterials, particularly, nanotubes and more recently, graphene. Chapter II starts with a general overview of the non-covalent adsorption of polymers onto the CNT surfaces followed by a detailed description of the study carried out on the non-covalent functionalization of CNTs with various imidazolium based polymerized ionic liquids (PIL). For this purpose, we further compare the two experimental methods: in situ polymerization and solution mixing. One of the most important applications of CNT is in polymer/CNT composites. Chapter III describes the formation of polyetherimide/CNT composites starting from PIL-CNT hybrids obtained in Chapter II. The preparation and characterization of composites using solvent casting methods have been detailed. Pristine, acid oxidized and PIL functionalized CNTs have been compared. Mechanical, thermal and electrical property measurements on these composites have also been described. The last chapter – Chapter IV, divided into two sections, discusses the covalent functionalization of CNTs with a variety of polymers using two main approaches: “grafting from” and “grafting to”. Using the first approach we have grown polyamide (PA) chains from the surface of caprolactam grafted CNTs by anionic ring opening polymerization. The tensile properties of the PA based composites prepared therefrom containing pristine, amine- and PA-functionalized CNTs have been investigated. The radical polymerization of vinyl imidazolium based IL monomers attached to the activated CNT surface is also given in this section. In the second part of Chapter IV, we have reported several “grafting to” functionalization strategies including radical addition and “defect site” grafting used for the preparation of CNTs covalently attached with polymers intended to blend well with epoxy matrices