Depuis Juillet 2008, l'union européenne bannit une grande partie des retardateurs de flamme halogénés actuellement sur le marché pour des problèmes environnementaux. Les produits phosphorés s'avèrent une alternative prometteuse. Dans le cadre de ma thèse, nous décrivons la synthèse de monomères allyliques phosphonés cycliques, leur télomérisation, polymérisation et copolymérisation en solution par voie radicalaire mais aussi les premiers « essais feu» effectués. Les monomères allyliques phosphonés cycliques sont synthétisés par transestérification entre un glycol possédant une double liaison et un hydrogénophosphonate. La présence de diastéréoisomères nous a permis de faire une étude poussée en RMN pour comprendre la structure de ces composés. L'homopolymérisation radicalaire du dioxaphosphorinane hydrogéné faite en présence d'AIBN comme amorceur nous a permis d'obtenir des polymères avec 2 distributions chromatographiques composées d'oligomères et de polymères de haute masse moléculaire respectivement. Cette deuxième espèce présente une structure hyperbranchée avec des solubilités faibles qui nuisent aux futures applications. Des solutions alternatives ont été proposées comme la télomérisation de ce même monomère avec l'hydrogénophosphonate de diméthyle comme agent de transfert donnant une seule population d'oligomères. Le remplacement de l'hydrogène lié au phosphore par un groupement alkyle ou aryle simplifient le mécanisme de polymérisation pour former des chaînes macromoléculaires où les groupements phosphonés sont situés dans les chaînes latérales. La copolymérisation Accepteur/Donneur entre l'anhydride maléique et les allyl éthers phosphonés a été envisagée pour produire des copolymères alternés avec la possibilité d'introduire des groupements différents comme les acides carboxyliques, potentiellement intéressants pour la résistance au feu. Une dernière solution, utilisant la synergie des atomes d'azote et de phosphore, a été mise en oeuvre par la synthèse d'oligomères allyl amine phosphonés par polymérisation radicalaire en solution aqueuse. Un bilan de tous les polymères phosphonés a été réalisé dans le but de tester leurs performances en tant que retardateurs de flamme. Les caractérisations en analyse thermogravimétrique et en microcalorimètre ont montré une bonne thermostabilité des télomères comme des copolymères et une chaleur dégagée équivalente au produit de référence. Les essais feu sur textile au cône calorimètre montrent que des résultats encourageants sur les polymères synthétisés. / Since July 2008, a wide rnage of halogenated flame retardants was withdrawed from the market for environmental problems by the European Union. The phosphorous products turn out to be promising candidates. Within the framework of my thesis, the synthesis of allyl cyclic phosphonated monomers is described as well as their telomerization, polymerization and copolymerization in solution using a radical process). Their flame retardant behavior was also evaluated. Allyl cyclic phosphonated monomers are synthesized by transesterification between a glycol with a double bond and hydrogenophosphonate. An NMR study of the obtained diastereoisomers allowed us to fully understand the structure of these compounds. Radical homopolymerization of hydrogenated dioxaphosphorinane, in the presence of AIBN as initiator, allowed us to obtain polymers with two molar mass distributions: one for oligomers and one for polymers of higher molar mass. This second species is due to a hyperbranched structure showing poor solubility in common solvents, which damage the future applications. The telomerization of the same monomer was carried out using dimethyl hydrogenophosphonate as chain transfer agent leading only one population of oligomers. Furtehrmore, the replacement of the hydrogen linked to phosphorus by an alkyl or aryl group simplify the mechanism of polymerization since only linear oligomers are obtained. Acceptor-donor copolymerization of maleic anhydride and phosphonated allyl ethers, allowed producing alternated copolymers with the opportunity to introduce different reactive groups such as carboxylic acids. Then, oligomers were produced by radical polymerization of phosphonated allyl amine in order to potentially use the nitrogen-phosphorus synergy. An overview of all the phosphonated polymers previously synthesized, was done with the aim of testing their flame retardant performances. Thermogravimetric analysis showed a good thermal behavior of the telomers and the copolymers, similar heat release rate was observed by microcalorimeter compare to commercial product. High efficiency of these phosphorus-containing flame retardants polymers was finally evidenced by using the cone calorimeter on textile.

Conventional studies of ionomers have focused on ionomers bearing monovalent carboxylate or sulfonate pendant ions. There are relatively fewer studies on ionomers containing multivalent pendant ions, such as divalent phosphonate. In this dissertation, poly(ethylene terephthalate) (PET) and polystyrene ionomers with divalent phosphonate pendant ions have been synthesized, and the influence of divalent phosphonate pendant ions on the structure-morphology-property relationship has been compared to the ionomers with monovalent sulfonate pendant ions. The phosphonate groups generated a stronger physically crosslinked network in phosphonated ionomers as compared to sulfonated analogues. Higher plateau modulus, longer relaxation time, and significantly higher zero-shear viscosity were noted for phosphonated ionomers by a dynamic melt rheology study. Compared to the ionic aggregates generated from sulfonate groups, larger ionic aggregates with associated phosphonate groups have been observed. Furthermore, phosphonated ionomers displayed significantly higher glass transition temperatures than sulfonated ionomers. Ionomers have proven to be attractive, interfacially active compatibilizers for a number of polymer blend systems because of specific interactions that may develop between the ionic groups and complementary functional groups on other polar polymers within the blends. The successful compatibilization of polyester/polyamide blends (prepared by solution mixing and melt blending methods) using phosphonated PET ionomers as a minor-component compatibilizer has been demonstrated. The phase-separated polyamide domain dimension decreased with increasing mol % phosphonated monomers and this decrease was attributed to the specific interactions between the ionic phosphonate groups on the polyester ionomer and the amide linkages of polyamide. More importantly, the divalent phosphonate pendant ions are more effective at compatibilizing polyester/polyamide blends in comparison to the monovalent sulfonate pendant ions. Phosphonated PET ionomer-compatibilized polyester/polyamide blends required 6 times fewer ionic monomers to achieve domain dimension < 1 μm as compared to sulfonated PET-containing blends. Deep eutectic solvents (DES) have been reported to be the next generation solvents due to the superior biocompatibility, biodegradability, and sustainability as compared to ionic liquids. Two types of deep eutectic solvents, choline chloride : malic acid (ChCl:MA) and L-arginine : levulinic acid (Arg:LA), have been demonstrated as effective plasticizers for poly(vinyl alcohol) (PVOH) films. The plasticization effects on the properties of PVOH films were evidenced by lower crystallizability and improved film ductility. In addition, ChCl:MA deep eutectic solvent was more effective in plasticizing PVOH as compared to propylene glycol, one of the most widely studied alcohol-type plasticizers. From an applied perspective, DES-plasticized PVOH film is a promising candidate in the packaging market of heath-related products. / Doctor of Philosophy / Non-covalent interactions play an important role on the structure-morphology-property relationship of polymeric materials. Divalent phosphonate pendant ions provide interesting effects on the properties of ionomer and polymer blends as compared to the monovalent sulfonate pendant ions. Ionomers containing phosphonate pendant ions exhibit a significantly stronger physically crosslinked network as compared to sulfonated ionomers. Compared to monovalent sulfonate groups, the divalent phosphonate groups are more effective at compatibilizing polymer blends. Furthermore, the compatibilized poly(ethylene terephthalate)-based blends exhibit improved optical and oxygen barrier properties compared to the base blend without compatibilizer, signifying potential benefits in packaging industry. Poly(vinyl alcohol) is one of the most widely used packaging materials for food, medicine, detergent, etc. The incorporation of deep eutectic solvents as plasticizers significantly improved film ductility. In addition, the plasticization effect for choline chloride-based deep eutectic solvent is more profound than one of the most widely studied alcohol-type plasticizers, propylene glycol. The effective plasticization of poly(vinyl alcohol) using deep eutectic solvents confirmed the potential for future applications in the packaging market of health-related product.

L'objectif de cette thèse est de synthétiser de nouveaux monomères éthers vinyliques porteurs de groupements phosphonate, dans le but d'étudier leur efficacité comme retardateurs de flamme. Les produits phosphorés s'avèrent de bonnes alternatives aux retardateurs de flamme halogénés, qui présentent des problèmes environnementaux. Dans un premier temps, nous avons réalisé la synthèse des éthers vinyliques phosphonés par transéthérification de l'éthylvinyl éther en présence d'alcools phosphonés. Ensuite, nous avons choisi la copolymérisation radicalaire (A/D) afin de préparer des copolymères à base d'éthers vinyliques phosphonés et de différents accepteurs. Des études cinétiques par Infra-Rouge en temps réel et plusieurs méthodes d'analyses ont été effectuées afin de caractériser ces copolymères. Dans un second temps, nous avons réalisé des cinétiques de photocopolymérisation radicalaire du 2-vinyloxyéthylphosphonate de diméthyle avec une série de monomères accepteurs, par exemple, les maléimides avec qui ce monomère forme des complexes forts. La photopolymérisation cationique a aussi été réalisée et offre de meilleurs résultats que la photopolymérisation radicalaire. Un bilan de tous les polymères phosphonés a été réalisé dans le but de tester leurs performances en tant que retardateurs de flamme. Les caractérisations thermogravimétriques et microcalorimétriques de ces copolymères ont montré une quantité importante de résidus et des valeurs de chaleur dégagée encourageantes en vue d'une utilisation de ceux-ci en tant que retardateurs de flamme. / The aim of this work is the synthesis of new vinyl ethers monomers bearing phosphonate groups, in order to study their efficiency as flame retardants. Phosphorus products are known to be a good alternative to halogenated flame retardants, which are involved in environmental problems. Initially, the synthesis of phosphonated vinyl ethers was performed by trans-etherification of ethylvinyl ether in the presence of phosphonated alcohols. Then, the radical copolymerization (A/D) was used to prepare copolymers based on phosphonated vinyl ether and various electron-accepting monomers. Kinetic studies by real-time Infrared and several methods of analyzes were used to characterize these copolymers. In a second step, the radical photocopolymerization of 2-dimethylvinyloxyethylphosphonate was led with a series of electron-accepting monomers, for instance maleimides which form strong complexes with vinyl ethers. The cationic photopolymerization of these phosphonated vinyl ethers is also possible and affords better results than radical photopolymerization. An assessment of all phosphonated polymers was performed in order to test their performances as flame retardants. Thermogravimetric and microcalorimetric characterizations showed good amount of released residues showing that these copolymers are good candidates as flame retardants.

La prise de conscience sociétale vis-à-vis des problèmes environnementaux augmente et conduit à une forte demande en matériaux issus de ressources renouvelables, comme les biocomposites. La sensibilité thermique et le comportement au feu restreint leur utilisation pour certaines applications comme le bâtiment. La réglementation en matière de sécurité incendie est très importante et nécessite donc de trouver des solutions adaptées pour améliorer le comportement au feu de ces matériaux. Dans ce contexte, nous avons dans un premier temps étudié la dégradation thermique et le comportement au feu des fibres naturelles seules et particulièrement l'impact de ses composants sur le comportement au feu. Ensuite, nous avons étudié la réactivité de quatre fonctions (amine, acide carboxylique, alcoxysilane et acide phosphonique) sur la fibre de lin et ses composants (cellulose, hemicellulose, lignine). La caractérisation des greffages a été réalisée de manière originale par des techniques de dégradation thermique.Ensuite, nous nous sommes intéressés à la dégradation thermique et au comportement au feu de biocomposites. Nous avons étudié le comportement au feu de biocomposite à base de PBS et de fibres naturelles en faisant varier différents paramètres comme le taux de fibres, la nature des fibres et l'influence d'un retardateur de flamme phosphoné. Deux stratégies d'ignifugation ont été testées : l'ajout en masse dans la matrice et le greffage sur les fibres naturelles de retardateur de flamme. Pour aller plus loin dans les stratégies d'ignifugation par greffage de retardateur de flamme, nous avons comparé l'influence du greffage d'une molécule et d'une macromolécule sur le comportement au feu du lin et du biocomposite PBS/lin. / The environmental awareness in the society is increasing and leads to a strong demand in material from renewable resources, such as biocomposites. The thermal sensitivity and the flammability restrict their use for certain applications such as building. The fire safety regulation is of prime importance and requires adaptive solutions to be found to improve the fire behavior of these materials.In this context, we have studied the thermal degradation and the fire behavior of natural fibers and particularly the effect of its components on the fire behavior. Then, we studied the reactivity of four moieties (amine, carboxylic acid, alkoxisilane and phosphonic acid) on the natural fibers. The grafting characterization was carried out with original techniques based on thermal degradation.Then, we are interested on the thermal degradation and the fire behaviour of biocomposites. We studied the fire behaviour of biocomposite based on PBS and natural fibers varying different parameters such as the amount of fibers, the type of natural fibers and the influence of a phosphonated fire retardant. Two fireproofing strategies have been tested: the addition in polymer matrix and the grafting on natural fibers of fire retardant. To go further in the fireproofing strategy by fire retardant grafting, we have compared the influence of the molecule or macromolecule grafting on the fire behaviour of flax and PBS/flax biocomposite.

Les polymères fonctionnalisés par des groupements phosphonates ont un fort potentiel applicatif comme superplastifiants dans les pâtes de ciment. Des copolymères à blocs fonctionnels ont été synthétisés par polymérisation RAFT/MADIX afin d'accéder à des polymères de masse molaire, d'architecture et de composition contrôlées. Le monomère principalement utilisé a été l'acide vinylphosphonique (VPA). L'amélioration de la cinétique ainsi que la conversion finale lors de la polymérisation du VPA a été un des principaux objectifs de la thèse, en vue de synthétiser des copolymères diblocs PEG-PVPA. Ensuite des copolymères à blocs ont été synthétisés à l'aide d'un disulfure de xanthate. Ce nouveau procédé a permis d'obtenir des structures de copolymères à blocs plus complexes à bas de MPEGMA et de VPA, dont la synthèse à partir d'un agent de contrôle RAFT conventionnel aurait été relativement ardue. Des essais ont été menés sur des pâtes cimentaires afin d'évaluer les propriétés des différents copolymères. Les effets de l'adsorption des copolymères à blocs sur la mise en œuvre du béton ont été évalués et comparés à des superplastifiants phosphonatés commerciaux. / Phosphonic acid-functionalized polymers show great promise as superplasticizers in cement mixtures. Functional block copolymers were synthesized by RAFT/MADIX polymerization to obtain polymers of controlled molecular weight, architecture and composition. The principal monomer used was vinylphosphonic acid (VPA). The enhancement of the kinetics of VPA polymerization and the final yield was one of the aims of the thesis. Block copolymers were then synthesized using xanthate disulfide as a chain transfer agent. This new process enabled us to obtain complex structures that would be difficult to synthesize using a more conventional RAFT process. The effects of block copolymer adsorption on cement workability were assayed with reference to a commercially available phosphonated superplasticizer.

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The topic of this thesis is the degradation of fuel cell electrodes in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). In particular, the degradation associated with localized fuel starvation, which is often encountered during start-ups and shut-downs (SUs/SDs) of PEMFCs. At SU/SD, O2 and H2 usually coexist in the anode compartment. This situation forces the opposite electrode, i.e. the cathode, to very high potentials, resulting in the corrosion of the carbon supporting the catalyst, referred to as carbon corrosion. The aim of this thesis has been to develop methods, materials and strategies to address the issues associated to carbon corrosion in PEMFC.The extent of catalyst degradation is commonly evaluated determining the electrochemically active surface area (ECSA) of fuel cell electrode. Therefore, it was considered important to study the effect of RH, temperature and type of accelerated degradation test (ADT) on the ECSA. Low RH decreases the ECSA of the electrode, attributed to re-structuring the ionomer and loss of contact with the catalyst.In the search for more durable supports, we evaluated different accelerated degradation tests (ADTs) for carbon corrosion. Potentiostatic holds at 1.2 V vs. RHE were found to be too mild. Potentiostatic holds at 1.4 V vs. RHE were found to induce a large degree of reversibility, also attributed to ionomer re-structuring. Triangle-wave potential cycling was found to irreversibly degrade the electrode within a reasonable amount of time, closely simulating SU/SD conditions.Corrosion of carbon-based supports not only degrades the catalyst by lowering the ECSA, but also has a profound effect on the electrode morphology. Decreased electrode porosity, increased agglomerate size and ionomer enrichment all contribute to the degradation of the mass-transport properties of the cathode. Graphitized carbon fibers were found to be 5 times more corrosion resistant than conventional carbons, primarily attributed to their lower surface area. Furthermore, fibers were found to better maintain the integrity of the electrode morphology, generally showing less degradation of the mass-transport losses. Different system strategies for shut-down were evaluated. Not doing anything to the fuel cell during shut-downs is detrimental for the fuel cell. O2 consumption with a load and H2 purge of the cathode were found to give around 100 times lower degradation rates compared to not doing anything and almost 10 times lower degradation rate than a simple air purge of the anode. Finally, in-situ measurements of contact resistance showed that the contact resistance between GDL and BPP is highly dynamic and changes with operating conditions. / Denna doktorsavhandling behandlar degraderingen av polymerelektrolytbränslecellselektroder. polymerelektrolytbränslecellselektroder. Den handlar särskilt om nedbrytningen av elektroden kopplad till en degraderingsmekanism som heter ”localized fuel starvation” oftast närvarande vid uppstart och nedstängning av bränslecellen. Vid start och stopp kan syrgas och vätgas förekomma samtidigt i anoden. Detta leder till väldigt höga elektrodpotentialer i katoden. Resultatet av detta är att kolbaserade katalysatorbärare korroderar och att bränslecellens livslängd förkortas. Målet med avhandlingen har varit att utveckla metoder, material och strategier för att både öka förståelsen av denna degraderingsmekanism och för att maximera katalysatorbärarens livslängd.Ett vanligt tillvägagångsätt för att bestämma graden av katalysatorns degradering är genom mätning av den elektrokemiskt aktiva ytan hos bränslecellselektroderna. I denna avhandling har dessutom effekten av temperatur och relativ fukthalt studerats. Låga fukthalter minskar den aktiva ytan hos elektroden, vilket sannolikt orsakas av en omstrukturering av jonomeren och av kontaktförlust mellan jonomer och katalysator.Olika accelererade degraderingstester för kolkorrosion har använts. Potentiostatiska tester vid 1.2 V mot RHE visade sig vara för milda. Potentiostatiska tester vid 1.4 V mot RHE visade sig däremot medföra en hög grad av reversibilitet, som också den tros vara orsakad av en omstrukturering av jonomeren. Cykling av elektrodpotentialen degraderade istället elektroden irreversibelt, inom rimlig tid och kunde väldigt nära simulera förhållandena vid uppstart och nedstängning.Korrosionen av katalysatorbäraren medför degradering av katalysatorn och har också en stor inverkan på elektrodens morfologi. En minskad elektrodporositet, en ökad agglomeratstorlek och en anrikning av jonomeren gör att elektrodens masstransportegenskaper försämras. Grafitiska kolfibrer visade sig vara mer resistenta mot kolkorrosion än konventionella kol, främst p.g.a. deras låga ytarea. Grafitiska kolfibrer visade också en förmåga att bättre bibehålla elektrodens morfologi efter accelererade tester, vilket resulterade i lägre masstransportförluster.Olika systemstrategier för nedstängning jämfördes. Att inte göra något under nedstängning är mycket skadligt för bränslecellen. Förbrukning av syre med en last och spolning av katoden med vätgas visade 100 gånger lägre degraderingshastighet av bränslecellsprestanda jämfört med att inte göra något alls och 10 gånger lägre degraderingshastighet jämfört med spolning av anoden med luft. In-situ kontaktresistansmätningar visade att kontaktresistansen mellan bipolära plattor och GDL är dynamisk och kan ändras beroende på driftförhållandena. / <p>QC 20131104</p>