Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail de thèse consiste en une étude des mécanismes de croissance des nanotubes de carbone monofeuillets par spectroscopie Raman in situ. La première partie de ce travail est consacrée à la mise en évidence des limites en température et en pression partielle de précurseur carboné du domaine de croissance des nanotubes de carbone monofeuillets. L’atout principal de la spectroscopie Raman in situ étant de pouvoir corréler informations structurales et cinétiques, cette approche a aussi permis d'étudier l'influence des principaux paramètres de synthèse (T, P, nature du précurseur carboné et du catalyseur) sur les cinétiques de croissance et de désactivation, ainsi que sur la nature et la quantité des espèces carbonées désordonnées produites. Enfin, l’influence de la température et de la pression partielle de précurseur sur le diamètre des nanotubes formés a également été étudiée. Ce travail a finalement conduit à la mise en évidence de plusieurs processus élémentaires impliqués dans : l’activation, la croissance, la désactivation, la qualité structurale, la pureté et la sélectivité en diamètre des nanotubes. / This work presents a study of the Single-Walled Carbon Nanotubes growth mechanisms by in situ Raman measurements. The first part of the manuscript is devoted to the determination of the temperature and precursor partial pressure limits of the Single-Walled Carbon Nanotubes growth domain. Furthermore, in situ Raman spectroscopy allows to correlate structural information and kinetics: this approach permits to study the influence of the main synthesis parameters (T, P, nature of the carbon precursor and of the catalyst) on the growth and deactivation kinetics, and on the nature and the quantity of disordered carbon species synthesized. Lastly, a study on the temperature and precursor partial pressure effects on the nanotubes diameters is reported. All the data collected have finally led to a discussion about the elementary processes involved in: activation, growth, deactivation, structural quality, purity and diameter selectivity of Single-Walled Carbon Nanotubes.

Ce travail de thèse concerne l’étude de dispersions de nanotubes de carbone (NTC) dans une matrice polymère afin d’obtenir des matériaux nanocomposites avec des propriétés améliorées. Dans la première partie, nous nous sommes intéressés à l’enrobage des NTC par des copolymères à blocs amphiphiles afin de faciliter la dispersion en solution aqueuse. L’influence de la structure chimique, de la composition et de la masse molaire des copolymères sur les propriétés a été étudiée. Dans une deuxième partie, l’incorporation des NTC dans une matrice polymère a été développée. Des procédés par voie aqueuse et par voie fondue ont été choisis afin de contrôler la répartition des NTC dans une matrice modèle de polyoxyde d’éthylène ainsi que dans des de polyéthylène ou de polyméthacrylate de méthyle. L’étude des propriétés physiques, notamment rhéologiques et électriques des nanocomposites à renfort de nanotubes a été réalisée. Ainsi les relations entre l’état des dispersions, la nature de l’enrobage et le mode d’élaboration des composites ont été établies. / This work is concerned with the study of carbon nanotubes (CNT) dispersions in a polymer matrix in order to obtain nanocomposite with unique properties. In the first part, we investigated the CNT wrapping by amphiphilic block copolymers to facilitate their suspension in aqueous solution. Based on the results, we could assess the effect on CNT dispersion quality of the molar mass of copolymers, the nature of the hydrophobic block and the length of hydrophilic block. In the second part, the incorporation of CNTs in polymer matrix was developed. Water or melt processing were chosen to control the distribution of CNTs in various polymer matrices (Polyethylene oxide, polyethylene and polymethyl methacrylate) through a prior wrapping of CNT. The studies of physical properties, including rheological and electrical properties, of nanocomposites were undertaken. Relationships between the state of dispersion, the nature of the coating and the method of preparation of composites were established.

Les exigences actuelles en terme de lubrification automobile imposent des formulations extrêmement complexes. Parmi tous les additifs présents dans l’huile, on peut noter le dithiocarbamate de molybdène et le dithiophosphate de zinc, additifs à action tribologique, à base de soufre et de phosphore. Pour des raisons environnementales, il est important de diminuer nettement voire d’éliminer la présence de ces deux éléments dans les huiles. Les matériaux à base de carbone présentent des propriétés tribologiques intéressantes mais n’ont jamais été entièrement étudiés. Dans cette étude nous nous sommes intéressés aux propriétés lubrifiantes des nanotubes de carbone (NTCs). Des nanotubes multi-parois ont été dispersés dans l’huile puis les propriétés rhéologiques et tribologiques des « nanolubrifiants » ont été étudiées. Nous nous sommes intéressés à leurs propriétés tribologiques dans deux régimes de lubrification : le régime limite et le régime élastohydrodynamique. Nous nous sommes tout d’abord focalisés sur les propriétés rhéologiques du mélange huile/NTCs.Les nanotubes de carbone possèdent une tendance à s’agréger sous la forme d’un réseau de taille micrométrique ce qui résulte en une nette augmentation de viscosité de l’huile de base. Cet effet épaississant pourrait éventuellement permettre aux NTCs de remplacer une partie de l’Améliorant d’Indice de Viscosité (AVI) habituellement additionné à l’huile de base. Néanmoins, nous avons mis en évidence un effet antagoniste avec les autres additifs de lubrification, tel que le dispersant, qui pourrait être un problème pour une telle utilisation. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés des NTCs dans le régime limite de lubrification. Les NTCs présentent des propriétés réductrices de l’usure et du frottement intéressantes sous certaines conditions. Les analyses effectuées laissent supposer un rôle du catalyseur dans le mécanisme de lubrification. Les nanotubes de carbone semblent d’un grand intérêt car, ils possèdent également des propriétés tribologiques en régime élastohydrodynamique (EHD). Le mécanisme de formation des films lubrifiants a été étudié en fonction des paramètres concentrations et vitesses d’entraînement: la propagation des agrégats de NTCs à travers le contact résulte en une augmentation locale de l’épaisseur de film lubrifiant. De plus, une réduction de frottement et un décalage dans l’apparition des premières traces d’usure ont été observés à la suite d’essais tribologiques. Le mécanisme d’action des NTCs en régime de lubrification EHD est proposé dans cette partie. Cependant, les interactions entre les NTCs et les additifs présents dans les lubrifiants entièrement formulés doivent être étudiés pour optimiser la formulation de lubrifiant à base de nanotubes de carbone. / The current requirements in automotive lubrication impose extremely complex formulation. Among all the additives present in oil, one can note the presence of molybdenum dithiocarbamateand zinc dithiophosphate, both tribological additives containing sulfur and phosphorous. For environmental reasons, it is important to reduce or eliminate the presence of these two elements contained in oil. Carbon based materials are expected to present interesting tribological properties but were never really fully investigated. In this study, we are being interested on the lubricant properties of nanometric Carbon NanoTubes (CNT). Multi wall carbon nanotube MWNTs have been dispersed in oil and the behaviour of the blends has been studied in terms of rheology and tribology. We investigated their friction properties in two regims of lubrification : boundary lubrification and elastohydrodynamic (EHD) lubrification. At first, we focused in rheological properties of the blend. Carbon NanoTubes (CNT) present the tendency to aggregate to form micrometric network and this results in an increase in the blend viscosity. This thickening effect could make it possible to replace part of the ViscosityIndex Improver traditionally added to base oil. Nevertheless we reported an antagonist effect with other additives such as dispersant which may be a problem for this purpose. Then we investigated lubricant properties of CNT in boundary regim. CNTs show interesting friction reducing and anti-wear properties in some conditions. The results obtained let suppose a role of the catalyst in the lubrication mechanism. CNT are also of great interest in reason of their potential tribological properties in EHD lubrification regim. The lubricant film formation has been investigated as a function of the speed and the CNT concentration : the propagation of the CNT through the contact results in a local increase in the film thickness. Moreover, a reduction in friction and a drift in the wear onset have been observed under controlled contact kinematics. A potentiel mechanism of lubrification is explained in this last part. However, the interaction between the carbon nanotubes and the other additives present in the fully formulated lubricant need to be carrefully investigated in order to be able in the future to optimise the formulation of new carbon nanotubes based lubricants.

Cette thèse rapporte l'étude d'un procédé original de filage continu par coagulation de nanotubes de carbone afin d'obtenir une fibre composite aux propriétés balistiques remarquables. Elle s'intéresse à la caractérisation des fonctions chimiques de surface, de la morphologie et des dimensions des nanotubes aux différentes étapes du procédé. Y sont détaillées une étude quantitative des effets et cinétiques de scission des nanotubes par les ultrasons. Elle présente de plus des travaux relatifs au développement d'une ligne continue de filage des nanotubes de carbone en voie solvant. Des méthodes originales de caractérisation mécanique in-situ de fibre gel sont proposées, permettant notamment un meilleur contrôle des paramètres physicochimiques liés au procédé. Nous espérons que les résultats obtenus participeront à une meilleure compréhension des effets des traitements utilisés pour l'obtention de dispersion homogène de nanotubes de carbone et à un développement des procédés continus de filage textile. / This thesis deals with an original continuous spinning process of carbon nanotubes by coagulation. It focuses on characterization of surface chemical functions, morphology and dimensions of carbon nanotubes at each stage of the process. We present a quantitative study about the effects and kinetics of nanotubes scission induced by ultrasound. We present also the development of a continuous wet-spinning line. We propose methods for in-situ mechanical characterization of gel fibers, which enable a better control of physico-chemical parameters of the process. We hope that these results will participate to a better global comprehension of the effects of treatments used to obtain homogeneous carbon nanotubes suspension and to the development of continuous spinning process of high performance textile fibers.

Ce travail de thèse est d’utilisation de nanotubes de carbon (NTCs) comme support pour confiner de nanoparticules métalliques ou comme gabarit pour le confinement de la phase active. Le chapitre I présente l’état actuel des connaissances sur les effets de confinement dans les NTCs. Le chapitre II décrit la préparation et la caractérisation de catalyseurs métalliques à base de ruthénium, de cobalt et de palladium, confinées à l’intérieur de NTCs. Dans ce cadre, l’étude de l’influence de différents paramètres tels que les conditions opératoires, la nature du métal ou du précurseur, ou un prétraitement du support NTC, sur la sélectivité du confinement est présentée. Le chapitre III comporte deux parties : l’une est consacrée à l’utilisation de NTCs comme gabarit pour la synthèse de nanotubes de silice (NTSs, en présence ou non de particules de ruthénium confinées dans leur canal). L’autre partie concerne l’immobilisation du catalyseur (complexe métallique de rhodium) dans une phase liquide ionique comme phase catalytique active avant le remplissage dans les NTCs. Le chapitre IV concerne l’application tous les systèmes catalytiques à base de catalyseurs confinés à l’intérieur de nanotubes dans les réactions d’hydrogénation du cinnamaldéhyde et du 1-hexène. L’effet de confinement sur les performances catalytiques est présenté. / This thesis is refer of carbon nanotubes (CNTs) as a support to confine metal nanoparticles or as a template for the confinement of the active phase. Chapter I give a comprehensive review of the state of knowledge on the effects of confinement in CNTs. Chapter II describes the preparation and characterization of the metals (ruthenium, palladium and cobalt) confined inside CNTs catalysts. In this context, the study of the influence of various parameters such as operating conditions, nature of the metal or precursor or nanosupport pretreatment, on the selectivity of confinement is presented. Chapter III consists of two parts: one is devoted to the using of CNTs as a template for the synthesis of silica nanotubes (SNTs in the presence or absence of ruthenium particles confined in their channel). The other part is the immobilization of the catalyst (rhodium metallic complex) in an ionic liquid phase as active catalytic phase before filling in CNTs. Chapter IV concernes the application all catalyst-filled CNTs systems in the hydrogenation of cinnamaldehyde and 1-hexene reaction. The confinement effect on the catalytic performance is presented.

Les nanomatériaux suscitent depuis quelques décennies de plus en plus d’intérêt tant sur le plan des études fondamentales que sur celui des applications. Parmi ces nouveaux matériaux, les nanotubes de carbone ont attiré beaucoup d’attention au sein de la communauté scientifique à cause de leurs propriétés physiques remarquables. Les travaux présentés dans cette thèse, concernent l’élaboration et la caractérisation de composites solides à base de nanotubes de carbone. Le choix des matériaux s’est porté sur une matrice solide à base de Bromure de Potassium (KBr) et des nanotubes de carbone mono et multifeuillets (SWNT, MWNT). L’étude de ces composites concerne deux aspects : dans un premier temps, l’effet de la charge et de la nature des nanotubes de carbone sur les propriétés électriques et thermiques ont été étudiés. L’étude des propriétés thermiques a été réalisée à l’aide d’une technique photothermique, la photoacoustique, qui présente un grand avantage pour ce type de composites. L’évolution des propriétés thermiques en fonction de la charge a montré un comportement atypique, une augmentation puis une diminution, avec un maximum autour de 2% de charge en nanotubes. Un modèle physique permettant de décrire cette évolution a été proposé. Concernant les propriétés électriques, cette étude a permis de mettre en évidence le phénomène de percolation et d’en déterminer le seuil. Dans un deuxième temps, l’étude a porté sur l’influence du gaz environnant sur les propriétés thermiques et électriques, et sur l’éventuelle utilisation de ces composites comme capteurs de gaz. La caractérisation thermique en présence d’éthanol n’a pas permis de mettre en évidence un changement notable des propriétés thermiques des composites. En revanche, la caractérisation électrique a montré une bonne réponse à ce gaz. L’évolution de la sensibilité en fonction de la charge en nanotubes dans les composites a montré une augmentation pour des charges inférieures à 4% et une stabilisation au-delà. L’influence d’autre gaz comme le dioxyde d’azote et le toluène a été aussi étudié. La réponse électrique au dioxyde d’azote a montré une forte interaction du gaz avec les composites. La réponse au toluène n’a pas montré d’influence de ce gaz sur les propriétés électriques des composites à base de SWNT, cependant, dans le cas des composites à base de MWNT, une réponse électrique comparable à celle de l’éthanol a été observée. / In the recent decades, nanomaterials arouse a growing interest both in their fundamental studies and in their applications. Among these new materials, carbon nanotubes have attracted much attention within the scientific community because of their remarkable physical properties.The work presented in this thesis, involve the preparation and characterization of solid composites based on carbon nanotubes. A solid matrix containing potassium bromide (KBr) and carbon nanotubes, single and multiwalled (SWNT, MWNT) was chosen. The study of these composites involves two aspects: initially, the effect of the loading fraction and the nature of carbon nanotubes on the electrical and thermal properties were investigated. The study of thermal properties was carried out by a photothermal technique, the photoacoustic, which offers great advantages for this type of composites. The evolution of thermal properties according to the loading fraction of nanotubes showed an atypical behavior, an increase followed by a decrease, with a maximum around 2% of nanotubes loading fraction. A physical model describing this evolution has been proposed. Regarding the electrical properties, this study has highlighted the phenomenon of percolation and allowed the determination of the percolation threshold. In a second step, the study focused on the influence of surrounding gas on the thermal and electrical properties, and the possible use of these composites as gas sensors. The thermal characterization with ethanol did not reveal a significant change in thermal properties of composites. However, the electrical characterization showed a good response to this gas. The evolution of the sensitivity depending on the nanotubes loading fraction in the composites showed an increase for loads below 4% and a stabilization beyond this value. The influence of other gases such as nitrogen dioxide and toluene were also studied. The electrical response to nitrogen dioxide showed a strong interaction of the gas with composites. The response to toluene did not show any influence of this gas on the electrical properties of SWNT-based composites, however, in the case of MWNT-based composite, an electrical response similar to that of ethanol was observed.

Cette étude a pour but de développer de nouveaux matériaux composites à matrice métallique renforcés par des nanotubes de carbone (CNT) et présentant des propriétés mécaniques améliorées. La majeure partie de ce travail a été réalisée en utilisant des CNT multi-feuillets synthétisés par déposition chimique en phase vapeur en tant que renforts et un alliage d'aluminium AA5083 comme matrice. Des composites CNT/AA5083 denses et homogènes ont été élaborés par le procédé de métallurgie des poudres suivi par une étape de mise en forme, l'extrusion. L'homogénéité de la dispersion des CNT à l'échelle microscopique dans les composites s'avère être un paramètre clé pour l'amélioration des propriétés mécaniques. Ceci a été réalisé par broyage planétaire à haute énergie impliquant des mécanismes de déformation plastique et de soudure à froid et a été démontré à l'aide d'études cartographiques par spectroscopie Raman. La limite d'élasticité, la résistance à la traction et la micro-dureté des composites homogènes ont été augmentées jusqu'à respectivement 55%, 61% et 33% en comparaison avec l'alliage sans CNT et préparé dans les mêmes conditions. Le coefficient de dilatation thermique a été quant à lui réduit de 10%. Les propriétés optimales ont été obtenues pour des concentrations en CNT de 1,5 % en masse. Le renforcement du matériau a été principalement attribué au transfert de charge à l'interface CNT/matrice. / The overall goal of this thesis is to process new metal matrix composites reinforced by CNT with enhanced mechanical properties. The main part of this work was achieved using CVD-grown multi-walled CNT as reinforcement and a high-performance light aluminium alloy, AA5083, as the matrix. Dense and homogeneous CNT/AA5083 composites were processed by the powder metallurgy route, followed by an extrusion forming process. A homogeneous dispersion of the CNT in the composites at the micron scale appears to be a key parameter for improving the mechanical properties. This could be achieved using high energy ball milling through the mechanisms of plastic deformation and cold-welding, and was demonstrated from Raman spectroscopy cartography studies. Yield strength, ultimate tensile strength and micro-hardness of the homogeneous composites were increased by up to 55%, 61% and 33%, with respect to raw alloys processed in the same conditions, and the coefficient of thermal expansion was decreased by 10%. Optimal results were obtained with a CNT con-tent of 1.5 wt.-%. The material strengthening was principally attributed to load transfer at the CNT/matrix interface.

Cette thèse décrit différentes stratégies pour co-immobiliser au sein d'un film sol-gel une déhydrogénase, le cofacteur NAD+/NADH et un système pour régénérer électrochimiquement ce cofacteur. L'immobilisation de la déshydrogénase dans la matrice sol-gel a été obtenue en utilisant un polyélectrolyte positivement chargé comme additif dans le sol de départ. Le film peut être déposé par les procédés d'évaporation ou d'électrogénération, permettant alors la fonctionnalisation d'électrodes d'or macroporeuses. La diaphorase a également pu être co-encapsulée pour la régénération du cofacteur NAD+. L'immobilisation du cofacteur a ensuite été obtenue par couplage chimique du NAD+ avec le groupement époxy du glycidoxypropylsilane avant formation du film. Plusieurs stratégies d'immobilisation du médiateur électrochimique ont alors été étudiées avec succès. Les espèces de type ferrocène ou des complexes d'osmium(III) peuvent être incorporées dans la matrice sol-gel par encapsulation de polymères portant ces médiateurs (Fc-PEI et polymère d'osmium) ou par co-condensation avec un ferrocène fonctionnalisé par un groupement silane. Finalement d'autres stratégies ont été étudiées basées sur la fonctionnalisation de nanotubes de carbone par un traitement micro-onde, par électropolymérisation du vert de méthylène, ou par recouvrement par un polymère de type acrylate portant des complexes d'osmium(III). L'électrogénération d'une couche mince sol-gel servant à immobiliser les protéines et le cofacteur à la surface des nanotubes fonctionnalisés par le polymère d'osmium(III) a alors permis d'observer une réponse électrocatalytique de stabilité remarquable. / In this thesis, the research work was focused on designing functional layers based on silica sol-gel thin films to co-immobilize dehydrogenase, cofactor and electron mediator to get the most highly active systems. Immobilization of dehydrogenase in an active form in a sol-gel matrix was obtained by using a positively-charged polyelectrolyte as additive in the starting sol. The optimal sol can be deposited by evaporation or by electrodeposition and was successfully deposited in macroporous electrodes. The immobilization of the cofactor was investigated by simple entrapment, adsorption to carbon nanotube (CNTs), encapsulation of NAD+ chemically attached to dextran(NAD-dextran), and by in-situ coupling with glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPS). The last approach allowed stable immobilization of the cofactor. Several mediators (Fc-PEI, Fc-Silane or Osmium polymer) were successfully co-immobilized with dehydrogenase and cofactor in the sol-gel matrix deposited by drop-coating. However, such co-immobilization did not operate in the electrogenerated sol-gel films. The strategies based on CNTs for mediator immobilization were finally developed. They include (1) micro-wave treatment (MWCNTs-µW), (2) electrochemical deposition of poly(methylene green) (MWCNTs-PMG), and (3) wrapping by osmium(III) polymer (MWCNTs-Os). MWCNTs-Os has been the only system that was successfully combined with sol-gel electrodeposition for co-immobilization of dehydrogenase and cofactor.

Les polymères de phtalonitrile sont obtenus par des réactions d'addition des groupements cyano à haute température et pour un temps long à partir de dérivés de phtalonitrile. Ils trouvent de nombreuses applications dans les domaines de pointe comme l'aérospatiale et la marine. Cependant, leurs performances sont limitées par les inconvénients suivants : (1) fragilité liée intrinsèquement à leur réseau structural, (2) température de fusion élevée, fenêtre de conditions de mise en forme étroite, température de cuisson élevée, cinétique de cuisson faible, (3) Selon la litérature, le traitement du bisphthalonitrile pour obtenir la résine correspondante s'effectue souvent à des températures inférieures à 500°C. Il y a peu d'études sur les matériaux formés à des températures supérieures à celle-ci, (4) Il n'y a pas beaucoup d'études sur la fonctionnalisation de la résine bisphthalonitrile et son domaine d'application doit être élargis. Cette thèse porte sur le dévelopement de méthodes permettant la modification et la fonctionnalisation de la résine bisphthalonitrile conduisant à une amelioration des propriétés mécaniques de celle-ci. De plus, des nanotubes de carbone ayant une morphologie différente et des matériaux capables d'absorber les hyperfréquences ont été obtenus par pyrolyse de la résine bisphthalonitrile en présence de différents catalyseurs de fer et sur une plage de température allant de 600 a 900°C / Bisphthalonitrile polymers are obtained by addition curing reaction of cyano groups upon heating phthalonitrile derivatives at elevated temperature and for an extended period of time. They have found many applications in advanced technologies such as aerospace and marine. However, their performances are limited by the following disadvantages: (1) high brittleness of the inherent network structure; (2) high melting temperature, narrow processing window, high curing temperature, low curing rate and long curing time; (3) according to the literature, the processing temperature of bisphthalonitrile resin-based composites is controlled at 500°C or less, whereas there are few studies on materials formed above 500°C; (4) studies on the functionalization of bisphthalonitrile resins are not abundant and its application range needs to be expanded. Based on the above statement, this thesis is focused on the modification and functionalization of bisphthalonitrile resins. The latter were modified by a variety of methods, resulting in improved mechanical properties. Moreover, carbon nanotubes with different morphologies and microwave absorbing materials were obtained by pyrolysing bisphthalonitrile resins with different metal iron catalysts in the range of 600 to 900°C