Le développement de nouveaux capteurs, transducteurs et de dispositifs intégrés optoélectroniques et piézo-électriques nécessite l'élaboration de nouveaux matériaux avec des propriétés mécaniques, optiques et électriques couplées. Dans cette perspective, les nanocomposites à base de nanocristaux inorganiques non centrosymétriques dispersés dans une matrice polymère peuvent donner à la fois des propriétés piézoélectriques et optiques non-linéaires. Cependant, la dispersion et l'orientation des nanocristaux dans la matrice sont primordiales si on souhaite un comportement collectif des nanocristaux individuels et des propriétés résultantes significatives. Dans ce travail, nous avons utilisé des cristaux d'iodate de fer (Fe(IO3)3) comme nano-charges inorganiques et le PMMA/ PTMPTA comme matrice polymère. La réponse optique non-linéaire du Fe(IO3)3 est comparable à celle des cristaux les plus efficaces tels que BaB2O4 et LiNbO3. Le comportement piézoélectrique du matériau massif n'étant pas référencé, sa structure cristalline laisse toutefois envisager des propriétés piézoélectriques intéressantes. Par ailleurs, la matrice polymère a été choisie pour sa simplicité d'utilisation et de production, son coût relativement faible, sa versatilité et sa facilité de mise en forme. Les nanocomposites peuvent être élaborés par deux voix différentes : la première consiste à disperser mécaniquement des nanocristaux fonctionnalisés dans un polymère ou dans un solvant de polymère approprié et la deuxième concerne la polymérisation in-situ de microémulsions composées du monomère liquide. Les synthèses en microémulsions inverses ont été privilégiées pour d'une part élaborer des nanocristaux d'iodate de fer de taille et de forme contrôlées puis, d'autre part, photo-polymériser des couches minces déposées à la tournette. Un aspect très original de ce travail consiste en l'utilisation de la Diffusion Hyper-Rayleigh pour étudier in-situ les cinétiques de cristallisation des particules d'iodate de fer en fonction des conditions expérimentales de synthèse à savoir, la température et la composition des microémulsions. Cette technique qui consiste à détecter les réponses optiques non-linéaires des suspensions de nanoparticules en microémulsions a été combinée avec d'autres méthodes expérimentales plus classiques comme la diffraction des rayons X, la diffusion dynamique de la lumière et la microscopie électronique en transmission. Cela a permis d'élucider les mécanismes de croissance des nanocristaux d'iodate de fer en microémulsions inverses. Par la suite, des couches minces nanocomposites ont été préparées après orientation sous champs électriques des nanocristaux polaires dispersés dans le MMA. Les caractérisations mécaniques, optiques non linaires et piézoélectriques de ces couches sont encourageantes.

Ce travail a pour objectif l'étude de la réalisation de nanocomposites polypropylène (PP)/argile organophile (org-MMT) par mélange à l'état fondu. Il s'est articulé autour de trois thèmes principaux, qui sont l'effet des compatibilisants de type PP-g-MA et l'influence du procédé d'extrusion bivis sur l'état de dispersion, ainsi que le comportement rhéologique des nanocomposites en régime transitoire. L'importance des compatibilisants (PP-g-MA), et notamment leur concentration dans le système PP/PP-g-MA/org-MMT, a été mise en évidence. Un modèle rhéologique simple (loi de Carreau-Yasuda à seuil), a été proposé pour caractériser quantitativement le degré de dispersion à travers la valeur du seuil d'écoulement. En extrusion bivis, l'état de dispersion dépend fortement des conditions opératoires (vitesse de rotation N et débit Q), principalement du rapport Q/N. Des prélèvements locaux le long des vis ont révélé que l'essentiel de l'exfoliation s'est effectué lors de la fusion. Cette dernière apparaît comme l'étape gouvernant le processus de dispersion en extrusion bivis. Les relations entre le procédé et l'état de dispersion ont également été étudiées à l'aide du logiciel Ludovic©. Enfin, le comportement rhéologique des nanocomposites en régime transitoire a été étudié. On observe un pic de contrainte au démarrage, ainsi qu'un effet de restructuration après un temps de repos. Deux modèles théoriques développés initialement pour des suspensions colloïdales et des suspensions de fibres ont été utilisés pour décrire les phénomènes observés.

Les nanotubes de carbone possèdent d'excellentes propriétés mécaniques, thermiques, électriques..., ce qui en fait un candidat de choix pour le développement de nouveaux matériaux pour de nombreuses applications. Cependant, leur mauvaise dispersion dans les solvants et les matrices reste encore aujourd'hui le principal problème pour l'obtention de matériaux composites homogènes. Cette thèse présente une nouvelle voie de fonctionnalisation des nanotubes de carbone réalisée en milieux fluides supercritiques. La fonctionnalisation organique proposée via une oxydation de surface des NTC présente de nombreux avantages par rapport aux techniques conventionnelles. La fonctionnalisation inorganique des NTC par les nanoparticules de palladium et d'argent a servi de modèle pour mieux appréhender le dépôt de nanoparticules de cuivre et déboucher ainsi à la réalisation de matériaux composites cuivre/NTC.

Ce mémoire porte sur la synthèse de matériaux composites nanostructurés à base de polyoxométallates pour la conversion de l'énergie et des applications à des problèmes environnementaux. Pour atteindre ces objectifs, de nombreux composés nouveaux de cette famille d'oxydes moléculaires ont été synthétisés puis ont été associés à différentes matrices éco-compatibles dans le respect des principaux critères de la Chimie Verte. Les principales techniques d'étude sont l'électrochimie, la photochimie et la spectroscopie UV-visible. Dans le domaine de l'énergie, les catalyseurs obtenus se sont révélés très efficaces dans des réactions très importantes mais difficiles à réaliser, comme la production de l'hydrogène, la réduction de l'oxygène et l'oxydation de l'eau. De même, parmi les applications aux problèmes de dépollution, ces nanomatériaux ont montré une forte activité électrocatalytique et photocatalytique pour la réduction des oxydes d'azote, des bromates et la photodégradation d'un colorant textile toxique, l'Acide Orange 7. Les performances de ces nouveaux catalyseurs sont comparables à celles des meilleurs systèmes connus.

Structurer les matériaux composites, pour au moins une des phases, à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire former des matériaux nanocomposites, est une voie pour optimiser nombre de leurs propriétés. Le domaine de la propulsion et des propergols n'échappe pas à cette règle. C'est dans ce contexte que s'est déroulée cette thèse sur la synthèse de nanocomposites 'nanoparticules métalliques/polymère' en milieux fluides supercritiques (FSCs). Les principales étapes rencontrées dans l'élaboration de nanocomposites en milieu scCO2 ont été étudiées : i) Etude thermodynamique des systèmes polymère/scCO2, ii) Mesure de leur viscosité et iii) Synthèse de nanoparticules inorganiques dans des polymères en milieux FSCs. De plus, une partie importante de la thèse a concerné la synthèse de nanoparticules d'aluminium en milieux fluides supercritiques en vue de leur intégration dans des matrices polymères pour des applications propergols.

L'arsenic, existe dans l'environnement sous une grande variété de formes et à divers degrés d'oxydation. Aux pH naturels, l'arsenic libre se rencontre essentiellement sous forme inorganique aux degrés d'oxydation +III (arsénite) et +V (arséniate). Il est reconnu que l'efficacité des processus d'élimination de l'arsenic dépend fortement de la possibilité de convertir les espèces de l'arsenic (III) en celle de l'arsenic (V), plus faciles à extraire. La recherche développée au cours de cette thèse démontre d'abord qu'il est possible d'éliminer l'arséniate de solutions aqueuses par extraction par des polymères solubles (LPR : liquid-phase polymer-based retention). La technique LPR utilise l'ultrafiltration sur membrane pour la séparation, basée sur des effets de taille, d'espèces ioniques suite à leur complexation par des polyélectrolytes solubles. Les espèces oxo-anioniques de l'arsenic(V), associés à des polyélectolytes du type polyalkyammonium, ne passent pas à travers la membrane et peuvent être ainsi séparés des espèces non-complexées de plus petite taille. Nous avons aussi montré la grande activité catalytique des matériaux composites du type nanoparticules de Pt0 et Pd0 dispersées dans des matrices de poly(pyrrole-alkylammonium), pour l'oxydation électrochimique de l'arsénite en arséniate. En particulier, des microélectrodes de carbone modifiées par des films de ces nanocomposites ont été appliquées à l'analyse de l'arsenic(III). Enfin, l'oxydation exhaustive de solutions d'arsénite a été réalisée sur des électrodes de carbone modifiées de grande surface. L'utilisation de sels poly(alkyl-ammonium) jouant le rôle à la d'électrolyte support et d'agent d'extraction des espèces de l'arsenic(V) a permis de combiner les processus d'électrocatalyse et d'extraction par LPR, permettant ainsi d'extraire efficacement des traces d'arsenic de solutions aqueuses.

Carbon nanotubes (CNTs) have been a major interest of study since 1991. A panel of properties and phenomena associated with carbon nanotubes due to their special combination of dimension, structure and topology have been investigated in the last years. Recently, it appears interesting to use carbon nanotubes at low loading content to obtain materials with enhanced mechanical and thermal properties. One of the major challenges is actually to disperse easily and individually these nanotubes in polymer matrices to obtain materials with increased properties for different application uses. Ethylene-vinyl acetate (EVA) copolymer is commonly used in cable industry. It is required to introduce high contents of alumina trihydrate (ATH) or magnesium dihydroxide (MDH) as fire retardant, to avoid fire hazards and reduce flammability. But this high mineral loading results in a decrease of the mechanical performances of the materials. This work aims at studying the influence of the incorporation of multiwall carbon nanotubes (MWNTs) on the tensile properties and the fire behavior of EVA nanocomposites. This work demonstrates, on one side, the significant effect of the previous nanotube coating by a thin layer of high density polyethylene (HDPE-coating) on the mechanical behavior of the so-obtained nanocomposites and explain, on the other side, the flame retardant efficiency of MWNTs in EVA nanocomposites. An original mechanism related to the action of the MWNTs during the combustion process is proposed and the effect of the HDE-coating on the cohesion of the residues is discussed.

Ce travail concerne l'étude du comportement rhéologique de nanocomposites modèles à base de Laponite dans du polyoxyde d'éthylène ou des mélanges polyoxyde d'éthylène avec du polyméthacrylate de méthyle. L'influence des paramètres moléculaires, masse molaire de la matrice et mode de protection des particules sur les propriétés rhéologiques a été étudiée. La meilleure dispersion est obtenue à partir d'une solution, la dilution d'un mélange maître conduisant à des matériaux hétérogènes. Les mélanges POE/PMMA sont compatibles à l'état fondu dans toute la gamme de concentrations mais hétérogènes à température ambiante au-dessus de 30% en poids de particules. En diluant un mélange Laponite/PEO dans le PMMA, nous avons montré que ces domaines se concentrent en particules en dessous de 30% de PEO et qu'une cocontinuité de phases PEO contenant les particules et PMMA essentiellement pur est formée au-dessus de 30% de PEO. La présence des particules diminue fortement la cristallinité.

Monolithic materials are not meeting the increasing demand for flexible, lightweight and compact high energy density dielectrics. This limitation in performance is due to the trade-off between dielectric constant and dielectric breakdown. Insulating polymers are of interest owing to their high inherent electrical resistance, low dielectric loss, flexibility, light weight, and low cost; however, capacitors produced with dielectric polymers are limited to an energy density of ~1-2 J/cc. Polymer nanocomposites, i.e., high dielectric particles embedded into a high dielectric breakdown polymer, are promising candidates to overcome the limitations of monolithic materials for energy storage applications. The main objective of this dissertation is to simultaneously increase the dielectric permittivity and dielectric breakdown without increasing the loss, resulting in a significant enhancement in the energy density over the unmodified polymer. The key is maintaining a low volume content to ensure a high inter-particle distance, effectively minimizing the effect of local field on the composite's dielectric breakdown. The first step is studying the particle size and aspect ratio effects on the dielectric properties to ensure a judicious choice in order to obtain the highest enhancement. The best results, as a combination of dielectric constant, loss and dielectric breakdown, were with the particles with the highest aspect ratio. Further improvement in the dielectric behavior is observed when the nanoparticles surface is chemically tailored to tune transport properties. The particles treatment leads to better dispersion, planar distribution and stronger interaction with the polymer matrix. The planar distribution of the high aspect ratio particles is essential to limit the enhancement of local fields, where minimum local fields result in higher dielectric breakdown in the composite. The most significant improvement in the dielectric properties is achieved with chemically-treated nano TiO2 with an aspect ratio of 14 at a low 4.6 vol% loading, where the energy density increased by 500% compared to pure PVDF. At this loading, simultaneous enhancement in the dielectric constant and dielectric breakdown occurs while the dielectric loss remains in the same range as that of the pristine polymer.

Thin layers with high barrier to oxygen and other gases are a key component to many packaging applications, such as flexible electronics, food, and pharmaceuticals. Vapor deposited thin films provide significant gas barrier, but are prone to cracking when flexed, require special, non-ambient processing environments, and can involve complex fabrication when layered with polymers. The addition of clay into polymers can enhance barrier properties relative to the neat polymer; however, these composites are subject to clay aggregation at high loadings, which leads to increased opacity and random platelet alignment that ultimately reduce barrier improvement. Layer-by-layer (LbL) assembly is capable of producing thin films that exhibit super gas barrier properties, while remaining flexible and completely transparent. Montmorillonite (MMT) clay and branched polyethylenimine (PEI) were deposited via LbL assembly to create gas barrier films that can be tailored by altering the pH of the PEI deposition solution or the concentration of the MMT suspension. Films grow linearly as a function of layers deposited, where increasing PEI pH increases spacing between clay layers and increasing MMT concentration increases thin film clay content. An oxygen transmission rate (OTR) below the detection limit of commercial instrumentation (< 0.005 cm3/m2•day•atm) is observed after 70 layers of 0.2 wt % MMT or 24 layers of 2 wt % MMT are deposited with pH 10 PEI onto 179 µm thick poly(ethylene terephthalate) (PET) film. Three-component films of PEI, poly(acrylic acid) (PAA), and MMT grow exponentially as a function of PEI/PAA/PEI/MMT quadlayers deposited. A transparent, ultrathin film of only four quadlayers deposited onto PET exhibits the lowest oxygen permeability ever reported for any thin film material, at only 51 nm thick. Finally, the first example of LbL assembly using large aspect ratio vermiculite (VMT) clay was performed. PEI/VMT films grow linearly as a function of layers deposited and exhibit 95 % light transmission with 97 wt % VMT. The barrier of these films is due to the highly aligned nanobrick wall structure that creates a tortuous path for permeating molecules. Coupling high flexibility, transparency, and barrier, these coatings are good candidates for a variety of packaging applications.