Ce manuscrit rassemble les recherches effectuées dans le cadre du développement d’une résine thermoplastique photopolymérisable pour une application composite. Ce travail a été effectué dans le cadre du projet COMPOFAST, lancé par ARKEMA à la fin de l’année 2012. Ce projet, accompagné par l’ADEME, a pour but, la mise au point d’une nouvelle génération de composites thermoplastiques à haute cadence de production pour la conception de pièces pour l’automobile. L’intérêt de ces matériaux, et donc du projet, est l’allégement des véhicules par réduction de la masse des pièces utilisées et la recyclabilité des matrices choisies. A travers ce projet, plusieurs techniques ont été envisagées. Dans le cadre de cette thèse c’est le procédé QCM, pour Quick Composite Molding, qui a été étudié au sein du LPIM. L’utilisation de la lumière pour assurer la polymérisation de la matrice rend novateur ce procédé. Cette étape dite de photopolymérisation est connue pour être l’un des moyens les plus rapides pour former une résine solide à partir d’une formulation liquide. Le procédé repose également sur la dépose automatisée de bandes de préimprégnés sur un moule ouvert afin d’augmenter la vitesse de production des pièces de composites. Techniquement, deux étapes ont été prévues : la première consiste en la réalisation des bandes de préimprégnés de manière automatique. La deuxième étape est la conception du composite par dépose automatique sur un moule des bandes de renforts préirradiés à laquelle succède une étape finale d’irradiation pour obtenir le composite requis. / This manuscript brings together research in the development of a light-curing thermoplastic resin for a composite application. This work was performed under the COMPOFAST project launched by Arkema at the end of 2012. This project, along with the ADEME, aims at the development of a new generation of thermoplastic composites with high production rates for designing automobile parts. The advantages of these materials, and therefore of the project, is making vehicles lighter by reducing the mass of the parts used and the recyclability of the selected matrices. Through this project, several techniques were considered. As part of this thesis, it's the QCM method for Quick Composite Molding, which has been studied within the LPIM. The use of light to ensure the polymerization of the matrix makes this method innovative. This step called photopolymerization is known to be one of the fastest ways to form a solid resin from a liquid formulation. The method also relies on the automated removal prepreg bands on an open mold in order to increase the rate of production of composite parts. Technically, two stages were planned: the first involves the automatically construction of prepreg tapes. The second step is the design of the composite by automatically depositing prepregs on the mold which is followed by a final step of irradiation to give the desired photocomposite.

L'objectif de ce travail est de développer et d'évaluer de nouvelles résines originales biosourcées pour l'application lithographique. Pour atteindre cet objectif, nous avons sélectionné différents types de lignine et étudié l'influence du fractionnement de la lignine sur les propriétés finales de la résine obtenue. Le fractionnement de la lignine est réalisé à l’aide de solvants organiques sélectionnés pour leur polarité. Nous avons choisi ce polymère naturel en raison de la présence de nombreux groupes fonctionnels directement responsables de sa réactivité : molécules photosensibles et potentiellement réticulables. La lignine est également une bonne candidate car abondante sur Terre et sa valorisation actuelle en tant que matière première chimique est négligeable. Nous avons étudié la photoréactivité de la résine à base de lignine à 395 nm en utilisant des sources de lumière LED. Sur la base des observations FTIR et UV-VIS, nous avons étudié et quantifié les changements structurels survenus lors de l'exposition de la photorésine à la lumière. Cependant, ces changements étaient plus intenses au cours de l'irradiation conduite dans l'air par rapport à une atmosphère inerte. De plus, nous avons établi le lien entre la structure chimique de la lignine et sa réactivité décrite par les tests de sensibilité, de contraste et de résolution. Nous avons proposé des mécanismes cohérents basés sur des données de la littérature. Ainsi, la réticulation de la lignine se produit sous les photons des rayonnements UV-VIS entraînant la formation de structures intermédiaires, de chromophores ou de composés volatils de bas poids moléculaire. Enfin, nous avons démontré qu'il était possible de fabriquer par écriture laser directe des nanostructures mono-, bi- et tridimensionnelles dans la photorésine à base de lignine "juste fractionnée" par polymérisation à deux photons. / The goal of this work was to develop and to evaluate new, original and bio-based resist for lithographic application. To reach this purpose, we have selected various types of lignin and study the influence of lignin fractionation in different organic solvents on the final resist properties. We have chosen this photosensitive and crosslinkable polymer due to its great abundance and to its currently poor valorisation as a chemical feedstock, as well as the versatility of the functional groups that were directly responsible for its reactivity. We have investigated the photoreactivity of lignin-based resist at 395 nm, using LED light sources. Based on the FTIR and UV-vis monitoring, we have investigated and quantified the structural changes occurred during photoresist exposure to the light. However, they were more visible during the irradiation conducted in the air than in the inert atmosphere. Moreover, we have established the link between chemical structure of lignin and its reactivity observed by sensitivity, contrast and resolution tests. Additionally, we have proposed reasonable mechanisms based on literature data according to which lignin crosslinking occur under UV-visible photons. They comprised the formation of intermediates structures, chromophores, or low molecular weight volatile compounds, as well and crosslinking reactions. Finally, we have demonstrated that it was possible to fabricate one-, two- and three-dimensional structures from "just-fractionated" lignin photoresist by two-photon polymerisation achieved by direct laser writing.

Alors que le procédé sol-gel a été fortement étudié il existe peu d’études concernant le procédé sol-gel photoinduit. Le principe repose sur la libération in situ d’espèces acides ou basiques photogénérées capables d’amorcer les réactions d’hydrolyse et de condensation caractéristiques du procédé sol-gel. L’alternative photoinduite est particulièrement adaptée pour préparer des films minces et possède de nombreux avantages tel qu’une formulation de départ stable, sans solvant et photolatente ainsi que des vitesses de réactions plus importantes. À partir de précurseurs inorganiques simples, nous avons dans un premier temps réalisé une étude mécanistique et cinétique de ce procédé en catalyse acide. Puis l’influence de différents paramètres physiques, chimiques et photochimiques sur les vitesses de réactions a été évaluée. Une comparaison avec un système similaire en catalyse basique a aussi été réalisée.Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à appliquer ce procédé photoinduit pour la préparation de films de silice mésoporeuse. Un tensioactif de type copolymère tribloc a été ajouté au précurseur inorganique de départ. La faisabilité d’une approche photochimique à partir de formulation sans eau ni solvant a d’abord été étudiée, des films mésoporeux ont été obtenus. Puis, nous nous sommes intéressés à la compréhension des 2 mécanismes interdépendants : le mécanisme d’assemblage du tensioactif et la condensation du réseau inorganique. Par la suite, le système a été optimisé pour aboutir à un contrôle précis de la structure et de la taille des pores. Enfin, une dernière étape a consisté à éliminer la partie organique (pour libérer la porosité) grâce à l’UV. / Whereas sol-gel process has been extensively studied almost no papers concerning photoinduced sol-gel process subsists. This later is based on in situ generation of acids or basics species able of initiating hydrolysis and condensation reactions happening on sol-gel process. This photoinduced alternative is particularly adapted for preparation of thin films and has lots of advantages such as photolatent, stable, solvent and water free initial formulation along with faster reaction rates. In one hand, from simple inorganic precursors, a kinetic and mechanistic study of the photoacid-catalyzed sol-gel reactions was realized. Then, we attempt to define what chemical, physical and photochemical parameters determine the precise sequence, kinetics and advancement of these reactions under different processing conditions Furthermore, an equivalent photobase-catalyzed sol-gel process has been also studied thoroughly. In a second hand, we focus on application of this photoinduced process for the preparation of mesoporous silica films. A triblock copolymer surfactant was added to the initial inorganic precursor. Feasibility of this photochemical approach from water and solvent free formulation was first investigated and mesoporous films were obtained. Then, we work on understanding the two interdependent mechanisms: surfactant self-assembly and inorganic network condensation. The system was after that optimized in order to have a precise control of pore size and structure. Finally, the last point involves organic photodegradation in order to liberate porosity.