Cette thèse porte principalement sur le développement de nouveaux polymères de type n à base de naphtalène diimide et de pérylène diimide obtenus par polymérisation par (hétéro)arylation directe (PHAD) pour la fabrication de cellules solaires tout polymère. Tout d’abord, les deux premiers chapitres portent sur le développement d’une méthode robuste de PHAD sur des polymères bien connus de la littérature, le PNDIOD-T2 et le PNDIBS deux analogues à base de naphtalène diimide. Les polymères synthétisés via cette méthode ont été comparés à des matériaux synthétisés par une méthode dite classique dans le domaine; la polymérisation croisée de Stille-Migita. Cela a permis d’étudier la structure des matériaux pour en évaluer la régiorégularité; une caractéristique clef dans l’électronique organique étant donné que quelques pourcents de défauts au sein des structures peuvent entraîner une diminution importante des performances. Dans le cadre de ces chapitres, il a été possible de développer une méthode permettant d’obtenir des matériaux plus régiorégulier que lors de l’utilisation de la méthode classique; chose très peu répandue dans la littérature, mais au combien important. En effet, la PHAD est une méthode plus simple, plus écoresponsable que sa comparse ce qui ouvrirait les portes pour la réduction des coûts à l’échelle industrielle en plus de permettre la création d’énergies vertes via de la chimie verte. À la suite du développement de cette méthode, un nouveau défi était donc de développer de nouveaux matériaux accepteurs d’électrons. Pour ce faire, nous avons choisi de synthétiser des matériaux de types accepteur-accepteur pour moduler les propriétés optoélectroniques. Cette technique visait à diminuer les niveaux énergétiques des matériaux afin d’être plus complémentaire à ceux des matériaux donneurs. De cette façon, il serait possible d’obtenir une absorption des photons du soleil sur une plus large gamme de longueur d’onde afin d’améliorer les performances des cellules solaires organiques. Malheureusement, malgré la réussite d’obtention de propriété optoélectroniques désirées, les polymères synthétisés ne présentent pas des caractéristiques photovoltaïques intéressantes, ce qui pourrait s’expliquer par une morphologie de la couche active inadéquate. / This thesis focuses on the development of new n-type polymers based on naphthalene diimide and perylene diimide made by direct poly (hetero)arylation (DHAP) for the fabrication of all-polymer solar cells. First, the first two chapters focus on the development of a robust DHAP method on polymers well known in the literature, PNDIOD-T2 and PNDIBS. The polymers synthesized by this method were compared with materials synthesized by known conventional methods in the field; the polymerization via cross-coupling known as Stille-Migita. This allowed the structural analysis of the materials in order to evaluate their regioregularity; a key feature in organic electronics as a few percent of defects within structures result in a drastic decrease in devices performance. As part of these chapters, it has been possible to develop a method allowing to obtain more regioregular materials compared with the classical methods; this have not been observed frequently in the literature, but is an important matter. Indeed, PHAD is a simpler, more ecoresponsible production method than the Stille method, which would open the doors for the reduction of the costs on the industrial scale in addition to allowing the creation of green energy via green chemistry. As a result of the development of this method, the new challenge was therefore to develop new electron-accepting materials. To do so, we have chosen to synthesize acceptor-acceptor materials, this was to also modulate their optoelectronic properties. This technique aimed to decrease the energy levels of materials in order to be more complementary to those of donor materials. In this way, it would be possible to absorb photons from the sun over a wider wavelength range in order to improve the performance of organic solar cells. Unfortunately, despite the success in obtaining the desired optoelectronic properties, the synthesized polymers do not exhibit interesting photovoltaic characteristics, which could be explained by the inadequate morphology of the active layer.

Les polymères conducteurs sont fréquemment utilisés en génie biomédical pour la transmission de signaux électriques. Les objectifs de ce mémoire étaient d'évaluer l'électroactivité d'un composite de polymère conducteur, et d'explorer une nouvelle technique de synthèse d'une membrane mince à partir de ce polymère conducteur. L'effet de l'héparine comme dopant polyanionique sur l'électroactivité du composite a été évaluée par voltammétrie cyclique (CV) et comparée à l'effet des anions de chlore. Le composite dopé par héparine a été trouvé électriquement actif avec une stabilité améliorée de façon significative. Ces résultats confirment le potentiel de l'utilisation de ces composites conducteurs pour des applications biomédicales à long terme. Les membranes minces des polymères conducteurs sont généralement synthétisées par polymérisation électrochimique à la surface de l'électrode. Des membranes souples et autoportants de polypyrrole (PPy) et le copolymère de pyrrole et 1 -(2-carboxyéthyl)pyrrole (PPy/PPyCOOH) par électropolymérisation à l'interface air/liquide (electrolyte) ont été produites dans le cadre de ce mémoire. Ces membranes ont démontré une électroactivité stable pour un minimum de 200 balayages de CV. La membrane PPy/PPyCOOH a également démontré une importante activité d'oxydoréduction. Ces membranes peuvent être utilisées dans des biosenseurs ou des piles souples.

Le comportement rhéologique des mélanges de polymères non miscibles a été étudié en écoulement élongationnel uniaxial et en cisaillement. Des observations en microscopie électronique sur des échantillons avant et après déformation ont été réalisées afin d'élucider le lien entre la réponse en contrainte et l'évolution de la morphologie des mélanges semi concentrés. La combinaison des résultats obtenus en rhéologie et de l'examen morphologique a permis de comprendre la contribution de l'interface dans la contrainte totale du mélange, notamment pendant la relaxation. Des expériences réalisées sur des échantillons compatibilisés ont montré que la réponse rhéologique des mélanges est considérablement modifiée par la présence des molécules de copolymère adsorbées à l'interface goutte/matrice. L'examen morphologique de ces échantillons a permis de mettre en évidence un comportement morphologique différent de celui des systèmes non compatibilisés. La contribution de l'interface dans la contrainte totale est donc modifiée, ce qui explique le comportement rhéologique particulier des mélanges compatibilisés. Le rôle du copolymère dans l'amélioration de l'adhésion interfaciale a été examiné sous différents types d'écoulement. Les résultats montrent que l'incorporation d'une faible quantité de copolymère s'accompagne d'une augmentation de la viscosité des mélanges témoignant ainsi d'une amélioration des propriétés interfaciales. L'examen morphologique des mélanges montre en effet que la présence du copolymère se traduit par l'obtention d'une morphologie fine et une meilleure adhésion entre les deux phases du mélange. L'évolution de la morphologie a également été étudiée par le moyen de visualisation en temps réel sur des gouttes isolées dans un champ de cisaillement. Ces expériences ont permis de relever certains effets relatifs à l'élasticité des phases sur le mécanisme de déformation et sur les conditions de rupture des gouttes. Des modes de déformation inusités ont été observés pendant la déformation transitoire notamment pour des systèmes formés de gouttes viscoélastiques dans une matrice newtonienne. / Rheological behavior of immiscible polymer blends has been studied in both elongation and shear flow. Scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM) observations have been carried out on samples before and after deformation to relate the rheological response to morphology development for semi-concentrated mixtures. The rheological results coupled with morphological analysis allow to clearly identify the contribution of the interface to total stress, especially upon the relaxation step. Experiments carried out on compatibilized samples show that the rheological response of polymer blends is widely affected by the presence of copolymer molecules within the drop/matrix interface. TEM observations show that the morphological behavior is highly affected by the presence of copolymer molecules within the interface, which modifies the interfacial contribution in the total stress and consequently the rheological behavior of copolymer modified blends. The effect of copolymer on interfacial adhesion enhancement has been analyzed during various flow types. The results show that the addition of a small amount of copolymer leads to an enhancement of viscosity of the blends, thus confirming the improvement of interfacial properties. Morphological analysis of deformed and undeformed samples shows that finer morphology and better interfacial adhesion are obtained for compatibilized Systems. The deformation and break-up of isolated liquid drops immersed in a liquid matrix have been studied in simple shear flow via in-situ visualisation experiments. These experiments elucidated some of the effects of phase elasticity on both deformation mechanism and break-up conditions. Moreover, unusual deformation modes have been observed upon transient deformation especially in the case of viscoelastic drops.

Face à la demande mondiale de techniques de séparation des gaz efficaces ayant un impact minimal sur l'environnement, les technologies de séparation des gaz par membrane ont trouvé leur place sur le marché commercial de la séparation des gaz en tant qu'alternatives peu coûteuses et respectueuses de l'environnement. Le cœur d'une technologie de séparation des gaz par membrane est la membrane elle-même, et une sélection judicieuse de son matériau garantit la haute performance de la membrane pour l'application visée. L'un des matériaux les plus étudiés pour les membranes de séparation des gaz est le polymère. Cependant, comme les membranes polymères pures présentent un comportement compétitif entre perméabilité et sélectivité, les membranes à matrice mixte (MMM) sont apparues comme des candidats prometteurs. Les membranes à matrice mixte combinent une facilité de traitement supérieure, un faible coût et une perméabilité modérée des polymères avec une sélectivité élevée des charges. Le défi le plus important pour obtenir une MMM de haute performance est d'avoir une interface sans défaut entre le polymère et la charge pour éviter les perméabilités non sélectives. Cette thèse a étudié les membranes à matrice mixte de polyimide 6FDA-ODA basées sur différents réseaux organométalliques (MOF), comme un nouveau type de matériaux poreux avec de grandes surfaces spécifiques, des tailles de pores ajustables et des propriétés contrôlables pour des applications de séparation de gaz CO₂/CH₄ et CO₂/N₂. L'utilisation de différentes stratégies efficaces dans les techniques de fabrication des MMM et l'amélioration de la qualité de l'interface charge-polymère ont permis d'améliorer les propriétés des MMM et les performances de séparation des gaz, comme le montrent les mesures de perméation des gaz simples et mixtes, ainsi que les résultats des analyses chimiques, thermiques et mécaniques. Dans l'ensemble, les résultats obtenus ouvrent la voie à un développement plus poussé des membranes polymères pour la séparation des gaz. / As the global demands for efficient gas separation techniques with minimum impact on the environment have been intensively raised, membrane gas separation technologies found their place in the commercial gas separation market as low-cost and environmentally friendly alternatives. The heart of a membrane gas separation technology is the membrane itself, and a wise selection of its material guarantees the membrane's high performance for the target application. One of the vastly studied materials for gas separation membranes is polymer. However, since neat polymeric membranes show a competitive behavior between permeability and selectivity, mixed matrix membranes (MMM) have emerged as promising candidates. Mixed matrix membranes combine superior processability, low cost and moderate permeability of the polymers with high selectivity of the fillers. The most significant challenge in obtaining a high-performance MMM is to have a defect-free interface between the polymer and the filler to avoid non-selective permeabilities. This thesis studied mixed matrix membranes of 6FDA-ODA polyimide based on various metal-organic frameworks (MOF), as a new type of porous materials with large specific surface areas, adjustable pore size, shape and dimensions, and controllable properties, for CO₂/CH₄ and CO₂/N₂ gas separation applications. Using different effective strategies in MMM fabrication techniques and improving the quality of the filler-polymer interface resulted in improved MMM properties and gas separation performance well supported by single and mixed gas permeation measurements, as well as chemical, thermal and mechanical analyses. Overall, the results obtained open the door for further development of polymer membranes for gas separation.

Beaucoup de recherches sont menées sur les polymères organométalliques et en particulier dans le but d'obtenir des bons matériaux utilisables dans les dispositifs photovoltaïques. Ce mémoire rapporte les derniers avancements de notre groupe de recherche dans ce secteur. Premièrement, la synthèse et la caractérisation de polymères organométalliques conjugués du type (-espaceur-C[xi]C-PtL[indice inférieur 2]-C[xi]C-)[indice inférieur n] avec comme espaceur des quinones diimine para-bis(diphényle) tetrasubstitués (C[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]-N=C[indice inférieur 6]X[indice inférieur 4]=N-C[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4] où X = H, F, Cl) et comme ligand L= P(n-Bu)[indice inférieur 3] ont été réalisées. Les espaceurs, les composés modèles, et les polymères ont été caractérisés par RMN [indice supérieur 1]H, [indice supérieur 31]P, UV-vis, IR, ATG, cristallographie, analyse élémentaire et par voltampérométrie cyclique. Les espaceurs et les polymères diamines (C[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]-NH-C[indice inférieur 6]X[indice inférieur 4]-NH-C[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]) ont également été synthétisés et caractérisés afin de comparer le comportement d'un polymère conjugué (quinone diimine) avec un polymère non conjugué (quinone diamine). Les polymères platine-diamine montrent des spectres d'absorption où la bande de plus basse énergie provient d'une transition de type [pi]-[pi]* tandis que les polymères quinone diimines montrent des bandes électroniques provenant de transitions électroniques de type transferts de charge (avec le centre platine comme donneur et quinone diimine comme accepteur). Une analyse de l'influence de l'effet électro-attracteur des différents substituants sur les spectres d'absorption ainsi que les propriétés électrochimiques ont été effectuées pour étudier les mécanismes de transfert de charge du platine vers les espaceurs diimines. Des résultats préliminaires encourageant de conversion d'énergie solaire en énergie électrique, grâce à des cellules de Grätzel, ont été obtenus pour certains de ces composés. Deuxièmement, un nouveau type de polymère organométallique bio-inspiré à base de quinone-diimines et de porphyrines a été synthétisé et caractérisé par RMN [indice supérieur 1]H, UV-vis, IR, ATG, cristallographie, spectroscopie de luminescence et mesures de paramètres photophysiques, et analyse élémentaire. Ces polymères montrent des spectres d'absorptions où la bande de plus basse énergie provient de transitions électroniques du type transfert de charge partant de la métallo-porphyrine vers la quinone diimine (C[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]-N=C[indice inférieur 6]X[indice inférieur 4]=N-C[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4] où X = F, Me). Ces absorptions sont extrêmement déplacées vers les grandes longueurs d'onde (> 800 nm) et affichent des coefficients d'extinction molaires très grands (30 000 M[indice supérieur -1] .cm[indice supérieur -1]). Ces composés affichent des très grands rendements quantiques pour des polymères à base de porphyrines. Ces excellentes propriétés font de ces composés une nouvelle classe intéressante de polymères utilisables pour des applications photoniques.

Le but de ce travail de thèse est d'explorer la potentialité des polymères électroactifs pour une application de récupération d'énergie mécanique ambiante.<br /><br />Les polymères électroactifs incluent la famille électronique (piézoélectrique, diélectrique...) et la famille ionique (IPMC, ionic gels...). Grâce à un état de l'art complet, six types de polymères ont été sélectionnés, modélisés analytiquement (couplage électromécanique) et caractérisés. De cette première partie comparative ressortent les polymères diélectriques à la forte densité d'énergie récupérable (1.5J.g-1). <br /><br />La seconde partie de ce travail de thèse concerne la mise en place d'un modèle analytique électro-mécano-thermique le plus fiable possible et adaptable à tous types de structures et de sollicitations. Pour ce faire, une large campagne de mesures électriques et mécaniques a été opérée afin de déterminer finement le comportement physique du matériau, les variations des paramètres intrinsèques et les pertes associées. Ce modèle analytique est validé par une série de tests sur des cas simples de structures.<br /><br />La dernière partie de ce travail de thèse concerne le développement d'une application novatrice : la récupération d'énergie mécanique au niveau du genou lors de la marche humaine. Le convertisseur a été dimensionné grâce au modèle développé, puis testé in situ. Finalement, des pistes pour la gestion électrique autonome de l'application sont proposées.

Le projet de cette thèse consistait à élaborer de nouveaux matériaux donneurs d’électrons pour les cellules solaires organiques. Cette technologie photovoltaïque émergente en plein essor a d’ores et déjà atteint la limite d’efficacité lui permettant d’être industrialisée et commercialisée à grande échelle. Le faible coût de production des dispositifs photovoltaïques organiques les rendent compétitives vis-à-vis des technologies inorganiques déjà bien implantées. Mais leur plus gros avantage est surement leur légèreté et leurs propriétés mécaniques qui les rendent très souples. Elles devraient donc certainement avoir un rôle majeur à jouer dans le futur en complément des cellules solaires classiques, avec une utilisation pour des applications spécifiques. Nous avons ainsi développé des polymères en utilisant des chromophores réputés pour leurs propriétés photophysiques : les porphyrines, les BODIPY et les dicétopyrrolopyrroles. Ces différentes unités absorbent intensément la lumière, ce qui les rend adéquates pour être utilisées pour la conversion de l’énergie solaire en électricité. En concevant un design original et adapté à cette application, nous avons ainsi obtenu plusieurs nouveaux polymères prometteurs. Nous avons ensuite pu étudier leurs propriétés électrochimiques et électroniques, ainsi que leurs caractéristiques photophysiques. Pour cela nous avons utilisé de nombreux outils (caméra streak, absorption transitoire femtoseconde, etc.) afin de comprendre en détails leur propriétés d’absorption et de luminescence. Ces informations nous ont permis de pouvoir ensuite comprendre leur comportement une fois intégrés dans la couche active des dispositifs photovoltaïques. En effet, le mécanisme de fonctionnement pour la création d’un courant électrique met en jeu des transferts d’électrons ultrarapides (∼50 fs) vers un accepteur d’électron. Il est alors crucial de pouvoir comprendre et contrôler les paramètres pouvant influencer l’efficacité de ces transferts et la stabilisation des charges qui en résultent, pour pouvoir finalement mener à des rendements de conversion de l’énergie lumineuse élevés.

Cette thèse est un apport à la compréhension et à la prévision des conséquences sur l'intégrité des câbles électriques de l'irradiation électronique survenant lors d'une situation accidentelle d'un réacteur à eau pressurisée. Nous avons étudié la radiooxydation et la tenue mécanique de deux élastomères irradiés, l'EPDM (terpolymère éthylène-propylène-hexadiène 1,4) et l'hypalon (polyéthylène chlorosulfoné), constituant respectivement l'isolant et la gaine de ces câbles. Dans un premier volet, les conditions d'exposition caractéristiques de la situation accidentelle sont présentées. Elles induisent un profil de dose très hétérogène dans le câble à cause de la faible pénétration des électrons. Cette situation contraste avec celle du fonctionnement normal de la centrale et les conditions des tests de qualification. La dose est alors uniforme et déposée par des photons g pénétrants. Le deuxième volet traite de la dégradation oxydante, dans des conditions de dose et de débit de dose caractéristiques de la situation accidentelle. Des films fins des deux élastomères (résines de base et polymères formulés) sont irradiés par des électrons et les produits oxydés formés, sont dosés chimiquement. L'influence, sur la cinétique de radiooxydation, de trois paramètres propres à l'irradiation, la pression d'oxygène, le débit de dose et la dose y est présentée. L'effet de l'antioxydant est étudié dans le cas de l'isolant électrique. Le troisième volet s'attache à décrire les résultats concernant la simulation expérimentale du profil de dose de la situation accidentelle sur des plaques des deux élastomères formulés. L'évolution des propriétés mécaniques à la rupture, en fonction de la dose et de l'épaisseur des plaques, y est présentée et analysée en corrélation avec les profils d'oxydation.

Ce travail porte sur la synthèse de nouveaux polymères conjugués à base de thiophène et leur utilisation comme matériaux actifs donneurs dans des cellules photovoltaïques organiques. Après une introduction exposant les concepts de base de la conversion photovoltaïque, une première partie est dédiée à la synthèse et la caractérisation de polymères intrinsèquement régio-réguliers obtenus par oxydation chimique à partir de motifs 3,3''-dialkyl-2,2':5',2''-terthiophènes. La seconde partie est consacrée à l'élaboration de polythiophènes régio-réguliers, analogues au poly(3-hexylthiophène) P3HT. Les polymères dont les chaînes substituantes incorporent des fonctions éther, ont été obtenus par une réaction de métathèse de Grignard (GRIM). La dernière partie porte sur la synthèse de polymères Donneur-Accepteur à gap réduit obtenus par condensation de Knoevenagel. Dans tous les cas, les polymères synthétisés ont été incorporés dans des cellules solaires afin d'évaluer leur potentiel pour la conversion photovoltaïque.

Au cours de cette thèse, à l'aide de réactions chimiques simples et industrialisables, nous avons tenté d'élaborer par polycondensation des matériaux polymères possédant des combinaisons de propriétés inhabituelles. Dans un premier temps, nous décrivons des réseaux chimiques qui sont insolubles mais pourtant malléables, soudables sans apport de matière et recyclables à haute température. Pour obtenir ces matériaux originaux, des réactions de transestérification, capables de réorganiser la topologie du réseau sans modification du nombre de liens chimiques, ont été induites dans des résines époxy grâce à des catalyseurs adaptés. Le choix des monomères permet de moduler très facilement la structure du réseau, et donc ses propriétés mécaniques ou la température de transition vitreuse. La nature et la quantité de catalyseur permettent un contrôle des réactions d'échanges, et jouent ainsi sur la malléabilité. Nous nommons ces réseaux " vitrimères " puisque, contrairement à la quasi-totalité des composés vitreux, ces matériaux se ramollissent très progressivement avec la température, de manière similaire à un matériau jusque-là unique : la silice. Dans un second temps, en utilisant des motifs cristallisables inspirés de la chimie supramoléculaire, nous avons obtenu des oligoamides organisés en nanophases. Ces matériaux présentent des propriétés mécaniques approchant celles de thermoplastiques usuels, mais avec une viscosité en fondu remarquablement faible. Cette particularité permet d'envisager de nouvelles applications pour les thermoplastiques, qui sont en général des polymères de grande masse, et donc de viscosité élevée.