Depuis quelques années on s'intéresse aux actionneurs base polymères, souvent appelés polymères électroactifs électroniques (EAPS) pour intégrer dans des microsystèmes électromécaniques (MEMS). Trois mécanismes sont à l'origine du couplage électromécanique : (i) la piézoélectricité qui apparait dans certaines phases cristallines, (ii) la force "de Maxwell" lorsqu'un champ électrique aux bornes du condensateur constitué d'un polymère souples placé entre deux électrodes, et (iii) l'électrostriction, phénomène intrinsèque aux matériaux polaires, mal connu. Les deux derniers se traduisent par une dépendance quadratique de la déformation macroscopique avec le champ électrique appliqué. Parmi les EAPs électrostrictifs, on cite souvent certains polyuréthanes (PU) qui a conduit à ce choix pour ce travail de thèse. Une première partie a consisté à analyser en détail l'électrostriction de 3 PUs, copolymères à blocs de deux types d'unités de répétition, les unes conduisant à des segments rigides très polaires, les autres à des segments souples peu polaires. La séparation de phase qui apparait lors de la mise en œuvre de ces PUs (contenant des fractions différentes de segments souples et rigides) semble propice à l'apparition de leur électrostriction. C'est ce qu'indique une modélisation récemment proposée qui prédit un facteur de près de 1000 entre forces de Maxwell (ici négligeables) et électrostriction. Le comportement des matériaux résultent clairement de la compétition entre contraintes d'origine électrostatique (dipôles des phases polaires dans un gradient de champ électrique) et contraintes mécaniques liées à la rigidité des phases. L'influence systématique de l'épaisseur des films sur leur activité électromagnétique a été rendue compte: les films minces présentent une plus faible déformation à champ électrique donné que les films plus épais. Les films obtenus par évaporation du solvant utilisé pour dissoudre les PU présentent probablement un gradient de microstructure : en surface, l'évaporation rapide limite la séparation de phase, alors qu'elle est plus avancée à cœur. C'est cohérent avec la modélisation reposant sur la présence de gradient de constante diélectrique au sein des films. Dans une dernière partie, on a cherché à augmenter encore l'électrostriction de ces matériaux en dispersant des particules conductrices à conduction électronique, de taille nanométrique (noir de carbone et nanotubes de carbone). On observe trois effets, l'un correspondant à l'augmentation de la constante diélectrique apparente (celle diverge au seuil de percolation), et un deuxième effet à une augmentation des forces d'attraction locales. En revanche, le troisième effet qui contrecarre les forces d'origine électrostatique puisqu'il résulte de l'augmentation de la rigidité dû à la présence des particules rigides. Là encore, la compétition entre contraintes électrostatique et mécanique conduit à un optimum en termes de fraction volumique de particules renforçantes.

L’objectif de cette thèse était de réaliser de nouveaux matériaux à émissivité variable dans l’infrarouge pour une application de régulation thermique des satellites artificiels. Dans ce contexte, l’étude s’est concentrée sur l’élaboration et la caractérisation de dispositifs électroémissifs à base d’un polymère conducteur électronique, le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) obtenu par électropolymérisation. Ces dispositifs électroémissifs ont ensuite été évalués dans des conditions partiellement représentatives de l’environnement spatial.La première partie de ce manuscrit a été consacrée à l’incorporation du PEDOT par électropolymérisation au sein d’une matrice hôte, formée à partir d’un réseau interpénétré de polymère (RIP) à base de caoutchouc nitrile (NBR) et de poly(oxyde d’éthylène) (POE). L’électropolymérisation par une méthode de chronopotentiométrie pulsée a permis d’obtenir des couches actives de PEDOT reproductibles, démontrant ainsi que le procédé électrochimique est bien contrôlé. En parallèle, des dispositifs électroémissifs de référence dont la couche active de PEDOT a été synthétisée par une polymérisation chimique oxydante, ont été élaborés. Le comportement électrochimique, les propriétés optiques dans l’infrarouge et la morphologie des couches actives obtenues par électropolymérisation ont été comparés à celles obtenues par une polymérisation chimique oxydante. Une répartition différente du PEDOT en fonction de la méthode d’incorporation a notamment été démontrée.Dans la deuxième partie de ce manuscrit, le comportement actionneur des dispositifs électroémissifs, qui est majoritairement induit par une insertion ou une expulsion d’ions au cours du procédé redox, a été étudié. Un screening de liquides ioniques, possédant des structures chimiques différentes, a été réalisé. Le mécanisme d’ion impliqué lors de la réaction redox a été identifié par une méthode simple consistant à observer la variation de volume de la couche active de PEDOT. Cette méthode a permis de souligner le rôle prédominant des cations au sein du procédé redox. L’utilisation de deux liquides ioniques a notamment permis une réduction significative de la déformation du dispositif électroémissif de référence tout en conservant de bonnes propriétés optiques dans l’infrarouge. Des mélanges de liquides ionique et de sel de lithium ont également été étudiés. En fonction de la concentration en sel de lithium au sein d’un liquide ionique, il est possible de contrôler le mécanisme ionique qui gouverne la réaction redox. Une concentration en sel en particulier entraine à la succession des deux mécanismes ioniques, ce qui donne lieu à un faible effet actionneur tout en préservant l’électro-activité et les propriétés optiques dans l’infrarouge du système.Dans la dernière partie de ce manuscrit, un prototype a été réalisé et évalué pour une application de contrôle thermique. Des radiateurs à base de dispositifs électroémissifs ont été fabriqués puis testés dans des conditions proches de l’environnement spatial. Ces radiateurs ont ensuite été comparés à la technologie actuellement utilisée sur les satellites artificiels, les réflecteurs optiques solaires. Des changements de température significatifs (12 °C) ont été mis en évidence, démontrant la pertinence de ce type de système pour une application de régulation thermique. Une faible consommation électrique de ces systèmes a été mise en avant au cours de ces travaux. Associé à la faible masse embarquée les dispositifs électroémissifs élaborés ont ainsi un intérêt double pour l’application visée par rapport à la technologie actuelle. / The aim of this PhD work is to design new coatings with variable emissivity in the infrared for an application of thermal regulation of artificial satellites. In this context, the study focuses on the development of electroemissive devices based on an electronically conducting polymer, the poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). These electroemissive devices are then evaluated under space like environment.The first part of this manuscript was devoted to the incorporation of PEDOT by electropolymerization within a host matrix based on an interpenetrating polymer network (IPN) including nitrile butadiene rubber (NBR) and poly (ethylene oxide) (PEO). Electropolymerization by a pulsed chronopotentiometry method resulted in reproducible active PEDOT layers, demonstrating that the electrochemical process is well-controlled. In parallel, electroemissive deviceswhose active layer of PEDOT was synthesized by an oxidative chemical polymerization, were elaborated as refernce devices. The electrochemical behavior, the infrared optical properties and the morphology of the active layers obtained by electropolymerization were compared with those obtained by an oxidative chemical polymerization. In particular, different distribution of PEDOT according to the incorporation method was demonstrated.In the second part of this manuscript, the actuator behavior of electroemissive devices, that is predominantly induced by insertion or expulsion of ions during the redox process, was studied. A screening of ionic liquids with different chemical structures was carried out. The ion mechanism involved during the redox process was identified by a simple method consisting in observing the volume variation of the PEDOT active layer. This method highlighted the predominant role of cations in the redox process. The use of two ionic liquids allowed a considerable reduction of the actuator behavior of a reference electroemissive device while maintaining high optical properties in the infrared. Mixtures of ionic liquids and lithium salt were also studied. Depending on the lithium salt concentration, the possibility of controlling the ionic mechanism that governs the redox reaction was underlined. A salt concentration in particular leads to the succession of the two ionic mechanisms and results in a low actuator behavior while preserving the electro-activity and the optical properties of the system.In the last part of this manuscript, a prototype was evaluated for a thermal control application. Radiators based on electroemissive devices were fabricated and tested under conditions close to the space environment. These radiators were then compared to the technology currently used on artificial satellites, optical solar reflectors. Significant temperature changes (12 °C) were demonstrated, proving the relevance of this type of system for the thermal regulation of satellites. In addition, a low electrical consumption of these systems was highlighted during this work. Associated to a reduced on-board weight, the electroemissive devices designed at the LPPI, have thus a double interest for the intended application with respect to the current technology.

Cette thèse présente la conception et la microfabrication d’une toute nouvelle configuration de pile à combustible en convection naturelle destinée à l’alimentation des appareils électroniques portables qui ne requiert aucun élément d’emballage externe (Pile à combustible sans emballage ou PLFC). On présente aussi les impacts majeurs de l’intégration d’un système de gestion d’eau complet (SGD) qui draine l’eau en surplus à la cathode pour la redistribuer vers l’anode et vers une surface d’évaporation imitant un réservoir d’hydrogène à base d’hydrures. La PLFC est constituée d’une membrane composite combinant un support mécanique de polymère (polyimide – Kapton®) et des chemins de conduction protonique (Nafion®), de collecteurs de courant métalliques et de couches catalytiques poreuses à base de nanoparticules de Pt/C. Le tout est intégré dans un seul feuillet de 50µm d’épaisseur sur une surface de 1cm[indice supérieur 2]. Des méthodes pour manipuler et graver le Kapton ainsi que pour intégrer le Nafion dans des procédés de microfabrication ont dû être développées. Un modèle analytique décrivant les résistances internes de la PLFC a aussi été réalisé. Ce modèle, combiné aux limites de dimensionnement causées par les méthodes de fabrication, a permis d’établir un processus de conception et de dimensionnement. La PLFC développée a démontré une importante augmentation de puissance volumique d’au moins 97% par rapport aux systèmes existants avec des emballages microfabriqués ou non. L’intégration d’un système de drainage de l’eau par des chemins hydrophiles à la cathode combinée à une redistribution d’eau vers l’anode et une surface d’évaporation a permis de doubler la puissance surfacique de la PLFC tout en stabilisant son fonctionnement. Finalement, on démontre dans cette thèse que dans les piles à combustible fonctionnant en convection naturelle, l’assèchement de l’anode joue un rôle prépondérant et que celle-ci doit être humidifiée, même lorsque la cathode est en surplus d’eau. De plus, en utilisant ce surplus pour alimenter un générateur d’hydrogène à base d’hydrures, on pourrait doubler la densité énergétique du système de pile à combustible.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Afin de limiter l'utilisation des ressources fossiles, les composites à fibres naturelles semblent être une alternative prometteuse aux composites à fibres synthétiques. Ainsi cette thèse se propose d'étudier un composite thermoplastique renforcé par des fibres courtes d'origine végétale (polypropylène/chanvre). En effet, la température de mise en forme du PP permet l'incorporation de renforts naturels. De plus la culture du chanvre est relativement aisée en Lorraine. Ces composites ont été élaborés via compoundage - moulage par injection. Ce travail s'appuie sur une démarche de caractérisation du comportement thermomécanique de ces composites dans le domaine quasi-statique en prêtant particulièrement attention à l'influence de la vitesse de déformation, de la fraction volumique de chanvre et de la température. L'endommagement a été mis en évidence par des essais de type charge-décharge-maintien et par un suivi in-situ par thermographie infrarouge. Cette étude a montré une rupture « quasi-fragile » par fissuration de la matrice quelque soit le taux de renfort. Une étude statistique complète de la microstructure en terme de distribution d'orientation et de répartition spatiale des fibres a été conduite par tomographie aux rayons X et a permis de développer un algorithme de génération automatique d'un modèle éléments-finis intégrant les distributions d'orientation et de répartition ainsi que les facteurs géométriques des fibres (L,Ø). Cet algorithme permet de rendre compte, dans la modélisation, de l'interaction complexe entre les fibres supposées élastiques isotropes. Enfin, la modélisation par éléments-finis du comportement du composite PPC est entreprise. Le comportement élastique avec endommagement progressif de la matrice est obtenu suivant un formalisme micromécanique dans lequel celle-ci est considérée comme un solide élastique isotrope affaibli par des microfissures de forme penny-shapped. Ce comportement est implémenté sur abaqus via une routine Fortran. Cette démarche offre de bonnes capacités de prédiction et ouvre des perspectives d'optimisation de ce matériau / Natural fibres are expected to have the ability to replace synthetics fibres as reinforcement for thermoplastics. A short plant fibres reinforced thermoplastics (polypropylene/hemp) is therefore studied in this PhD thesis. The processing temperature of PP allows the use of natural fibres. Moreover the hemp growing is easy in Lorraine. The testing specimens were made by compounding and injection moulding. Experimental characterization of the quasi-static thermomechanical behaviour of hemp composite was carried out with particular emphasis on the effect on strain rate, fibre loading and temperature. The damage is pointed out by load-unload-holding tests and in-situ infrared thermography recorder and revealed a « quasi-brittle » failure by matrix cracking regardless the hemp fibre loading. A complete statistical study in terms of spatial and orientation distribution of fibre was conducted by X-ray tomography and enables the development of an algorithm which generate a finite element model including the spatial reinforcement distribution and orientation distribution as well as geometrical features of fibres (L,Ø) Through this algorithm, the complicated interactions between isotropic elastic fibres are taken into account in the finite element modelling. Finally, finite element modelling of composite behaviour is intended. The elastic - progressive damage behaviour of the matrix is obtained in accordance to the micromechanism frame, in which PP is considered as a solid isotropic body weakened by penny-shaped cracks. This behaviour was implemented through a Fortran routine in abaqus software. This approach shows good prediction capabilities and gives opportunities to optimize this composite material

Hybrides nano /micrométriques de nanotubes de carbone (NTC) greffés sur microparticules d’alumina, microplaques de SiC ou nanoplaquettes de graphène (NPG) ont été utilisés comme renforts multifonctionnelles dans les composites à matrice polymère. Le NTCs utilisés étaient généralement sous forme de six branches symétriques et orthogonales sur microparticules sphériques d'Al2O3, mais d'une ou deux branches alignées verticalement sur les deux côtés de microplaques de SiC et de NPG. L’introduction des structures hybrides dans une matrice époxy permet d’améliorer la dispersion des NTC et l'interaction interfaciale entre les renforts et la matrice. Les propriétés mécaniques des composites ont été fortement améliorées avec une faible concentration de hybrides. La résistance électrique in situ des composites a atteint d’abord à sa valeur maximale et puis diminue avec la présence d'une déformation irréversible. Ce phénomène observé est complètement différent par rapport à ce des composites renforcé par NTC, c’est-à-dire, une augmentation monotone de la résistance jusqu'à leur rupture final. Les propriétés mécaniques et les comportements de self-sensing des composites dependent fortement de l'élancement de NTC de leur organisation et aussi des substrats. L'introduction des hybrides dans les composites renforcés par des fibres longues (verre) a démontré un grand potentiel pour développer des composites multi-échelles. Les études réalisées sur la matrice époxy renforcée par les hybrides bien dispersés avec une faible fraction ont montré des améliorations importantes des propriétés de flexion à 3 points et des propriétés thermo-mécaniques. Les réseaux conducteurs formés par hybrides nano/micrométriques permettent de suivre in situ l'évolution de l’état de dégradation des composites à matrice époxy renforcés par des tissus de verre sous contrainte appliquée. / Nano/micro multiscale hybrids with carbon nanotubes (CNTs) grown on the Al2O3 microparticles, SiC microplates or graphene nanoplatelets (GNPs) could serve as multifunctional reinforcements in the composites. The CNTs generally form into symmetric six-orthogonal branches on the spherical Al2O3, but vertically align on the flat surfaces of the SiC and GNP. The introduction of hybrids into the epoxy matrix endows uniform dispersion of CNTs as well as improved interfacial interaction between the reinforcements and matrix. Significantly enhanced mechanical properties of the composites were achieved at low hybrid concentration. The in situ electrical resistance of the composites initially increases to its maximum value and then begins to decrease with the appearance of irreversible deformation, which is different from the pristine CNTs filled composites only with monotonic increase of the resistance until their catastrophic fracture. The mechanical and self-sensing behaviors of the composites are found to be highly dependent on CNT aspect ratio, organization and the substrates. Besides, the introduction of hybrids into the traditional fiber-reinforced composites shows great promise in development of the high-performance multiscale composites. The epoxy matrix is toughed by the well dispersed hybrids at low fraction, resulting in improved flexural and thermomechancial properties. Besides, the conductive networks provided by the hybrids could be utilized as in situ damage sensors to monitor the damage evolution in the glass fabric/epoxy composite laminates under tensile loading.

En raison de leurs propriétés : légèreté, isolation thermique et acoustique, résistance aux chocs. . . , les mousses de polymères sont omniprésentes dans notre société. Ce travail, portant sur les mousses de polyuréthane, a deux objectifs : remplacer les agents d’expansion physiques (CFC, HFC) par le dioxyde de carbone issu de la réaction isocyanate-eau & fixer le catalyseur au sein du réseau polyuréthane. Pour cela, les cinétiques des réactions de formation du réseau de polyuréthane et de libération du dioxyde de carbone sont étudiées séparément. La cinétique de polymérisation est étudiée par spectroscopie IRFT et par rhéométrie. Nous considérons les polyuréthanes linéaires et réticulés. L’effet de la nature du catalyseur et de sa concentration ainsi que celui de la température sur la cinétique de polymérisation a été étudié. L’intérêt du butanediol pour le contrôle de la structure du polyuréthane formé a été démontré. La triéthanolamine possédant des fonctions amines jouant le rôle de catalyseur et des fonctions hydroxyles permettant la réticulation est testée. Nous montrons que les paramètres suivants : température, masses du diisocyanate, nature et concentration en catalyseur, n’ont qu’une influence relativement limitée sur la cinétique de libération du dioxyde de carbone. Enfin, des mousses sont réalisées à partir d’une formulation industrielle et différents agents d’expansion physiques et chimique. Nous montrons qu’il est possible de remplacer ces agents par de l’eau. / Because of their properties (low density, insulation, impact resistance. . . ), polymer foams are widely used. This work focused on polyurethane foams aims at : replacing physical blowing agents (CFCs, HFCs) by the carbon dioxide formed by the reaction of isocyanate and water & trapping a catalyst in the polyurethane network. The formation of water-blown polyurethane foams involves two reactions. The polymerization (or gelling) reaction which creates the polyurethane network. And the blowing reaction which generates carbon dioxide. A proper balance is required between the two reaction rates to obtain a foam with atisfactory properties. The kinetics of each reaction considered separately was studied. Thus, on one hand IRFT and rheology were used to study the kinetic of the polyurethane formation. Both linear and crosslinked polyurethane were studied. We showed the interest of using utanediol to control the structure of the linear polyurethane. The effect of temperature and nature and concentration of catalyst on the kinetics of polymersation was showed. Moreover, triethanolamine which contains amine groups ( catalyst) and hydroxyl groups (crosslinkingagent) was tested. One the other hand, an appartus was made to study the kinetic of the blowing reaction. We show that the following parameters : temperature, weight of the diisocyanate, nature and concentration of catalyst, have a relatively limited influence on the kinetics of release of carbon dioxide. A study of polyurethane foams based on a commercial fomulation showed that it is possible to replace the physical blowing agents by water.

Le comportement plastifiant de polymères purs a été bien étudié dans la littérature. Toutefois, il n'y a eu que peu d'études concernant les membranes à matrices mixtes (MMM). Dans le chapitre 2 de cette thèse, le comportement plastifiant de MMM préparés à partir de nanoparticules mésoporeuses Fe(BTC) et du polymère Matrimid® est étudié avec un gaz pur ou en mélange. Les réseaux métaux-organiques (MOF) sous forme particulaires ont présenté une relativement bonne compatibilité avec le polymère. L'incorporation de Fe(BTC) dans du Matrimid® a permis d'augmenter la perméabilité et la sélectivité des membranes. Pour de faibles pressions de 5 bars, les MMM ont une perméabilité au CO2 de 60% plus grande ainsi qu'une sélectivité de 29% plus grande à comparer à la sélectivité idéale de membranes Matrimid®. Il a été observé que la présence de particules Fe(BTC) retardait l'effet plastifiant vers de plus grandes pressions. De plus, cette pression augmente avec le taux de MOF au sein du matériau. Ce retard est attribué à la mobilité réduite des chaînes polymères dans l'entourage des particules Fe(BTC). Egalement, pour des concentrations en MOF plus élevées, les membranes présentent une sélectivité plus ou moins constante sur toute la gamme de pression étudiée. Le chapitre 3 présente ensuite la préparation et le caractère plastifiant des MMMs basées sur trois types de MOFs (MIL-53(Al) (MOF « repirant »), ZIF-8 (MOF « flexible ») and Cu3(BTC)2 (MOF « rigide »)) dispersés dans le Matrimid®. Les performances en gaz pur ou en mélange ont été étudiées en fonction de la quantité de MOF introduite. Parmi les trois systèmes MOF-MMM, les membranes avec le Cu3(BTC)2 ont présenté la plus haute sélectivité alors que les membranes avec du ZIF-8 ont montré une plus grande perméabilité. Ces améliorations sont essentiellement le fait de la structure cristalline du MOF et de son interaction avec les molécules de CO2. Le chapitre 4 décrit la préparation de membranes à base de mélange Matrimid® polyimide (PI)/polysulfone (PSF) contenant des particules de ZIF-8 pour la séparation gazeuse à haute pression. Un mélange optimisé avec un rapport PI/PSF de 3:1 a été utilisé pour une étude sur la stabilité et la performance de ces MMMs incorporant différentes concentration de ZIF-8. PI et PSF étant miscibles, une bonne compatibilité avec les particules de ZIF-8 est observée. Les MMMs PI/PSF-ZIF-8 ont démontré une amélioration significative de la perméabilité en CO2 lors de l'augmentation de la concentration en ZIF-8, ce qui a été attribué à une augmentation modérée de la capacité de sorption et à une diffusion plus rapide au travers des particules de ZIF-8. Lors des mesures en gaz purs, les membranes PI/PSF (3:1) ont présenté une plastification vers 18 bars alors que l'introduction de ZIF-8 repousse cette valeur à 25 bars. En mélange de gaz, les MMMs PI/PSF-ZIF-8 ont abouti à une suppression de la plastification comme l'a confirmé une mesure constante de la perméabilité et de la sélectivité du CH4, et cet effet est plus accentué avec l'augmentation de la concentration en ZIF-8. Les résultats en séparation des gaz avec les MMMs PI/PSF-ZIF-8 montrent une performance supérieure à celle du Matrimid® ce qui laisse augurer un élargissement du spectre d'application de ces membranes, particulièrement pour la séparation du CO2 à haute pression. Dans le chapitre 5, une nouvelle voie de préparation des MMMs via la fusion contrôlée de particules a été introduite. La modification du Matrimid® par du 1-(3-aminopropyl)-imidazole a permis d'améliorer considérablement la compatibilité avec les particules de ZIF-8. Il a ainsi été possible de préparer des MMMs contenant 30% de MOF sans perte de sélectivité. En augmentant la concentration en ZIF-8, les MMMs ont de meilleures performances dans la séparation de mélange CO2/CH4 à comparer au polymère initial. La perméabilité a augmenté de plus de 200% avec une augmentation de 65% de sélectivité pour le mélange CO2/CH4. / The plasticization behavior of pure polymers is well studied in literature. However, there are only few studies on the plasticization behavior of mixed matrix membranes. In Chapter 2 of this thesis, pure and mixed gas plasticization behavior of MMMs prepared from mesoporous Fe(BTC) nanoparticles and the polymer Matrimid® is investigated. All experiments were carried with solution casted dense membranes. Mesoporous Fe(BTC) MOF particles showed reasonably good compatibility with the polymer. Incorporation of Fe(BTC) in Matrimid® resulted in membranes with increased permeability and selectivity. At low pressures of 5 bar the MMMs showed an increase of 60 % in CO2 permeability and a corresponding increase of 29 % in ideal selectivity over pure Matrimid® membranes. It was observed that the presence of Fe(BTC) particles increases the plasticization pressure of Matrimid® based MMMs. Furthermore, this pressure increases more with increasing MOF loading. This delay in plasticization is attributed to the reduced mobility of the polymer chains in the vicinity of the Fe(BTC) particles. Also, at higher Fe(BTC) loadings, the membranes showed more or less constant selectivity over the whole pressure range investigated. Chapter 3 subsequently presented the preparation and plasticization behavior of MMMs based on three distinctively different MOFs (MIL-53(Al) (breathing MOF), ZIF-8 (flexible MOF) and Cu3(BTC)2 (rigid MOF)) dispersed in Matrimid®. The ideal and mixed gas performance of the prepared MMMs was determined and the effect of MOF structure on the plasticization behavior of MMMs was investigated. Among the three MOF-MMMs, membranes based on Cu3(BTC)2 showed highest selectivity while ZIF-8 based membranes showed highest permeability. The respective increase in performance of the MMMs is very much dependent on the MOF crystal structure and its interactions with CO2 molecules. Chapter 4 described the preparation of Matrimid® polyimide (PI)/polysulfone (PSF)-blend membranes containing ZIF-8 particles for high pressure gas separation. An optimized PI/PSF blend ratio (3:1) was used and performance and stability of PI/PSF mixed matrix membranes filled with different concentrations of ZIF-8 were investigated. PI and PSF were miscible and provided good compatibility with the ZIF-8 particles, even at high loadings. The PI/PSF-ZIF-8 MMMs showed significant enhancement in CO2 permeability with increased ZIF-8 loading, which was attributed to a moderate increase in sorption capacity and faster diffusion through the ZIF-8 particles. In pure gas measurements, pure PI/PSF blend (3:1) membranes showed a plasticization pressure of ~18 bar while the ZIF-8 MMMs showed a higher plasticization pressures of ~25 bar. Mixed gas measurements of PI/PSF-ZIF-8 MMMs showed suppression of plasticization as confirmed by a constant mixed gas CH4 permeability and a nearly constant selectivity with pressure but the effect was stronger at high ZIF-8 loadings. Gas separation results of the prepared PI/PSF-ZIF-8 MMMs show an increased commercial viability of Matrimid® based membranes and broadened their applicability, especially for high-pressure CO2 gas separations. In Chapter 5, a novel route for the preparation of mixed matrix membranes via a particle fusion approach was introduced. Surface modification of the polymer with 1-(3-aminopropyl)-imidazole led to an excellent ZIF-8-Matrimid® interfacial compatibility. It was possible to successfully prepare MMMs with MOF loadings as high as 30 wt.% without any non-selective defects. Upon increasing the ZIF-8 loading, MMMs showed significantly better performance in the separation of CO2/CH4 mixtures as compared to the native polymer. The CO2 permeability increased up to 200 % combined with a 65 % increase in CO2/CH4 selectivity, compared to the native Matrimid®. Chapter 6 finally discussed the conclusions and directions for future research based on the findings presented in this thesis.

Ces travaux décrivent la réalisation et l'étude d'un procédé original permettant la métallisation de surface de substrats à matrice polymère chargés fibres de carbone (CFRP) par l'intermédiaire d'un revêtement polymère conducteur pour des applications de blindage électromagnétique. Ce revêtement conducteur est constitué d'une matrice polyuréthane (PU) contenant des fils submicroniques d'argent (AgNWs) obtenus par un procédé polyol. L'étude de la mobilité moléculaire de la matrice PU et de l'influence des AgNWs sur les propriétés physiques de la matrice ont été effectuées. Le revêtement PU/AgNWs présente un très faible seuil de percolation volumique et surfacique inférieur à 1 % en volume. Au-delà de ce seuil de percolation, la conductivité de surface est suffisante pour permettre l'électrodéposition. Les paramètres optimaux de l'électrodéposition ont été déterminés. Un dépôt homogène et uniforme est obtenu pour des revêtements faiblement chargés (4 %vol). La couche métallique conserve son adhérence, malgré les grandes variations thermiques, en adaptant les contraintes de dilatation. L'efficacité de blindage a été mesurée de 1 à 26 gigahertz. / This work describes the achievement and the study of an original process to permit the surface metallization of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) substrates filled with carbon fibers through a conductive polymer coating for electromagnetic shielding applications. This conductive coating consists of a polyurethane (PU) matrix containing silver nanowires (AgNWs) obtained by a polyol process. The study of the molecular mobility of PU matrix and the influence of AgNWs on the physical properties of the matrix were carried out. The PU/AgNWs coating exhibits a very low volume and surface percolation threshold less than 1 % by volume. Above this percolation threshold, the surface conductivity allows metal electroplating. Optimal electrodeposition parameters were determined. A homogeneous and uniform deposition is obtained on the low-filled coatings (4 %vol). The metallic layer adheres to substrate for large thermal variations, by adapting the stresses of the thermal expansion. The EM shielding efficiency was measured from 1 to 26 gigahertz.

L’objet de ce travail expérimental est l’étude de la mécanique de films de mousses dont la structure est confinée par leur faible épaisseur. A partir d’une méthode de moussage de dispersion de particules de polyuréthane, nous sommes parvenus à contrôler, de façon indépendante, la fraction d’air (ou la densité) de ces films, leur épaisseur e et la distribution des tailles de leurs pores (de diamètre moyen D ̅_b). Pour ce dernier paramètre, nous nous sommes intéressés au cas de distributions monodisperse, bidisperse et polydisperses. Les différentes structures obtenues ont été étudiées par tomographie aux rayons X, de manière à quantifier l’ordre induit par le confinement (profils de densité, position des centres de pores, tailles des éléments structuraux,…). Nous nous sommes intéressés à la mécanique de ces films de mousse en tension (dans le plan du film) et en compression (dans le plan orthogonal au film). Un travail spécifique mené sur la matrice de polymère nous a permis de déterminer des grandeurs adimensionnées (modules et contraintes caractéristiques) permettant une comparaison avec les données et les modèles de la littérature. Nous montrons qu’en plus de l’effet classique de la densité, le nombre moyen de bulles à travers l’épaisseur, i.e. e⁄D ̅_b , est un paramètre déterminant pour les deux directions de sollicitation. En élongation, les couches pariétales contribuent à augmenter le module élastique des films par rapport à une mousse non-confinée. Ce renforcement est d’autant plus important (jusqu’à deux fois) lorsque e⁄D ̅_b est faible, quel que soit le type de distribution des tailles de pores. En compression, les couches pariétales ne contribuent pas directement, mais le confinement joue également un rôle important, avec cette fois-ci un impact déterminant de la distribution des tailles de pores. Ainsi, un film de mousse monodisperse est ordonné comme un polycristal et présente des caractéristiques mécaniques nettement plus élevées qu’un film de mousse polydisperse, comportant de nombreuses zones de faiblesse mécanique engendrées par les défauts d’empilement des bulles initiales. Les films de mousse bidisperses ont une réponse mécanique qui se rapproche soit des mousses monodisperses, pour de relativement grands rapports e⁄D ̅_b , soit des mousses polydisperses, pour de relativement petits rapports( e)⁄D ̅_b / The subject of this experimental work is the study of foam films mechanics with a confined structure because of their low thickness. With our foaming method using polyurethane particles dispersion, we generated foam films with independent control over the gas fraction (or the density), the thickness e or the pore size distribution (with a mean diameter D ̅_b). For this last parameter, we focused on monodisperse, bidisperse and polydisperse distributions. Obtained structures were studied using X-ray tomography to quantify confinement-induced order (density profiles, pore center spatial position, structural elements size,…). The mechanics of such foam films was studied in both uniaxial tension (in-plane) and compression (orthogonal plan). A particular work was done on the polymer matrix in order to determine reduced values (moduli and characteristic stress) to compare our results with models in the literature. We show that in addition to the classic density effect, the mean number of bubbles across the thickness, i.e. e⁄D ̅_b is a determinant parameter for both stress directions. In tension, parietal walls contribute to increase the elastic modulus of films with respect to non-confined foam. This effect on the mechanical strength is even more important (up to two times) when e⁄D ̅_b is small without any effect regarding the pore size distribution. In compression, parietal walls do not contribute directly to the measured values but the confinement still has an important role, this time depending on the pore size distribution. Indeed, monodisperse foam films are organized in polycrystals with much better mechanical characteristics compared to polydisperse foam films that present numerous mechanical weak spots caused by initial bubble packing defects. Bidisperse foam films mechanical behavior is either close to monodisperse or polydisperse foam films respectively for high or small e⁄D ̅_b ratio