L'ajout de charges (agrégat de taille submicronique) dans une matrice élastomère apporte des propriétés physiques qualitativement différentes de celles de la matrice pure : module complexe dépendant de la température, forts effets non linéaires, forte dissipation... Ces propriétés sont liées à la nature de la matrice et des charges, à leur fraction volumique, et enfin à la force des interactions charge / matrice. Nous présentons d'abord les différents systèmes et la caractérisation de leurs propriétés mécaniques, de façon à clarifier le rôle des différents paramètres.La cristallisation sous traction du caoutchouc naturel a un effet important sur ses propriétés mécaniques. Nous l'avons donc mesurée quantitativement dans chacune des formulations. Nous montrons que le taux de cristallisation à la rupture est toujours de l'ordre de 13%. La nature de l'interface silice / matrice a un effet sur les propriétés mécaniques mais pas sur la cristallisation. Nous avons ensuite étudié le comportement en traction simple d'échantillons pré-entaillés. Nous montrons que la plus grande résistance à la propagation d'entaille du caoutchouc naturel renforcé est corrélée à la présence d'instabilités de propagation (rotation d'entaille). Les mécanismes physiques à l'origine de la rotation d'entaille ne sont pas compris. Nous décrivons la dynamique de propagation des rotations à différentes échelles, et les caractéristiques des rotations.La combinaison de la cristallisation induite et de la présence des charges induit dans le matériau une très grande anisotropie qui pourrait être à l'origine des rotations.

L'ajout de charges (agrégat de taille submicronique) dans une matrice élastomère apporte des propriétés physiques qualitativement différentes de celles de la matrice pure : module complexe dépendant de la température, forts effets non linéaires, forte dissipation... Ces propriétés sont liées à la nature de la matrice et des charges, à leur fraction volumique, et enfin à la force des interactions charge / matrice. Nous présentons d'abord les différents systèmes et la caractérisation de leurs propriétés mécaniques, de façon à clarifier le rôle des différents paramètres.La cristallisation sous traction du caoutchouc naturel a un effet important sur ses propriétés mécaniques. Nous l'avons donc mesurée quantitativement dans chacune des formulations. Nous montrons que le taux de cristallisation à la rupture est toujours de l'ordre de 13%. La nature de l'interface silice / matrice a un effet sur les propriétés mécaniques mais pas sur la cristallisation. Nous avons ensuite étudié le comportement en traction simple d'échantillons pré-entaillés. Nous montrons que la plus grande résistance à la propagation d'entaille du caoutchouc naturel renforcé est corrélée à la présence d'instabilités de propagation (rotation d'entaille). Les mécanismes physiques à l'origine de la rotation d'entaille ne sont pas compris. Nous décrivons la dynamique de propagation des rotations à différentes échelles, et les caractéristiques des rotations.La combinaison de la cristallisation induite et de la présence des charges induit dans le matériau une très grande anisotropie qui pourrait être à l'origine des rotations. / The subject of this PhD thesis is the resistance to tear of reinforced elastomers. The general context of this work is related to the performances of reinforced elastomers, specifically silica reinforced natural rubber, as regards various usage properties : wear of tyre tread, fatigue and tear resistance of tyre flanks, etc. Wear and fatigue mechanisms are very complex. This PhD thesis is a first step towards understanding these mechanisms. We focussed on the parameters which control ultimate properties (resistance to failure, resistance to tear propagation) of uniaxially stretched samples. Reinforced elastomers are nanocomposite materials made of an elastomer matrix in which submicrometric filler particles or aggregates are dispersed. Adding fillers considerably enhances usage properties, specifically ultimate properties. Mechanical and physical properties qualitatively different from those of the pure elastomer matrix are induced: a strongly temperature dependent complex modulus, strong non linear effects (Payne effect), large dissipation, hysteresis, plasticity and long time recovery (Mullins effect). The material parameters which have an influence on the properties are: the nature of the elastomer matrix (natural or synthetic rubber) and of the reinforcing fillers (carbon black or silica), the volume fraction and dispersion state of the fillers, the nature and strength of interactions at filler-matrix interfaces.This work is an experimental study of the resistance to failure and to tearing of uniaxially stretched samples. The various systems which have been studied are presented first. Their mechanical properties have been characterized in the various regimes of strain amplitude. The various samples have been compared systematically in order to clarify the effect of the various material parameters.Natural rubber crystallizes under strain. This phenomenon is very sensitive to the formulation of the various materials and has a tremendous effect on mechanical and ultimate properties. Thus, we have measured quantitatively the amount of crystallinity induced as a function of the applied strain during elongation cycles and up to sample failure. The influence of the nature and volume fraction of the fillers and of the matrix-filler interfaces has been studied. The crystallinity is close to 13% in all studied materials. In samples filled with silica, the nature of the filler-matrix interactions (covalent coupling vs no coupling) has very little influence on crystallization, whereas it modifies strongly the mechanical properties.Then we have studied the resistance to failure of uniaxially stretched pre-notched test samples. Within a macroscopic approach, we have related the ultimate property (energy density at break) to the various tear propagation modes which are observed. We have studied the effect of temperature and drawing speed. It has been shown that the higher resistance to failure of reinforced natural rubber is related to the appearance of spectacular instabilities of the propagation direction (the so-called ‘tear rotation’). The appearance of tear rotation is specific to pre-notched reinforced natural rubber samples. The physical mechanisms responsible for tear rotation are not yet fully understood. The combination of reinforcement due to fillers and of strain-induced crystallization may lead to a strong anisotropy of the elastic material constant of the material in front of the tear tip, and this might be the driving force for tear rotation. The rotation length has been identified as an important parameter which correlates well to the ultimate properties. The tear propagation is described at various scales. The typical length scales associated to tear rotation which are observed have been related to the material properties.

Ce travail concerne l'étude du comportement rhéologique de nanocomposites modèles à base de Laponite dans du polyoxyde d'éthylène ou des mélanges polyoxyde d'éthylène avec du polyméthacrylate de méthyle. L'influence des paramètres moléculaires, masse molaire de la matrice et mode de protection des particules sur les propriétés rhéologiques a été étudiée. La meilleure dispersion est obtenue à partir d'une solution, la dilution d'un mélange maître conduisant à des matériaux hétérogènes. Les mélanges POE/PMMA sont compatibles à l'état fondu dans toute la gamme de concentrations mais hétérogènes à température ambiante au-dessus de 30% en poids de particules. En diluant un mélange Laponite/PEO dans le PMMA, nous avons montré que ces domaines se concentrent en particules en dessous de 30% de PEO et qu'une cocontinuité de phases PEO contenant les particules et PMMA essentiellement pur est formée au-dessus de 30% de PEO. La présence des particules diminue fortement la cristallinité.

Cette thèse présente un travail de synthèse et caractérisation de nanocomposites polymères en utilisant comme charge les hydroxydes doubles lamellaires (HDL). Dans la première partie, nous avons caractérisé la charge réactive résultante de l'intercalation des tensio-actifs monomères tels que le sulfopropylméthacrylate (SPMA), le 4[12(methacryloylamino)dodecanoylamino]benzènesulfonate (MADABS) et le 2-acrylamido-2-methyl-1-propane sulfonique (AMPS). De même, des autres phases hybrides obtenues à partir de poly(SPMA) et poly(AMPS) ont été caractérisées. La polymérisation in-situ est réalisée dans le cas de SPMA et AMPS par les spectroscopies (IR et RMN13 C CP-MAS). Pour les nancomposites polymères obtenus à partir de la dispersion des charges HDL hybrides, une structure intercalée a été observée dans le cas de SPMA et MADABS et une autre non miscible dans le cas de AMPS. Des résultats rhéologiques intéressants sont trouvés : dans le cas de SPMA quelque soit la nature des phases hybrides, par la formation d'un réseau de type gel structuré entre la charge et le polymère. Les résultats de rhéologie et de TEM montrent que la nature physico-chimique de la charge est un facteur déterminant dans la dispersion et la structuration du réseau de percolation de charge. Dans la deuxième partie, nous avons caractérisé (DRX, IR, et RMN) la charge fonctionnelle résultante de l'intercalation des colorants tels que : -acid Orange 6 (C12 H9 O5 N2 S Na), direct yellow 50 (C35 H28 N6 O13 S4 Na4), red 75 (C33 H16 O15 N8 S4 Na4), acid green 25 (C28 H22 N2 O8 S2 Na2) et Evan blue (C34 H28 N6 O16 S4) ; Trypan blue (Niagara blue) (C34 H28 N6 014 S4). La carte de densité électronique a montré un arrangement en position inclinée dans l'espace interlamellaire d'un angle de 35° selon l'axe est proposé avant le traitement hydrothermal et en position parallèle après traitement pour le Yellow dans l'espace interfeuillet de l'HDL. L'effet protecteur de la structure HDL est montré puisqu'une stabilité en température des propriétés optiques est observée. Une amélioration des propriétés rhéologiques pour les nanocomposites formés est observée dans le cas de Orange et Niagara par rapport au polystyrène seul. Ceci est expliqué par des interactions de type friction entre les chaînes de PS et les molécules colorantes présentes en surfaces des cristallites, la structure des PS nanocomposites restant apparemment non miscible.

Ce travail concerne l'étude du comportement rhéologique de nanocomposites modèles à base de Laponite dans du polyoxyde d'éthylène ou des mélanges polyoxyde d'éthylène avec du polyméthacrylate de méthyle. L'influence des paramètres moléculaires, masse molaire de la matrice et mode de protection des particules sur les propriétés rhéologiques a été étudiée. La meilleure dispersion est obtenue à partir d'une solution, la dilution d'un mélange maître conduisant à des matériaux hétérogènes. Les mélanges POE/PMMA sont compatibles à l'état fondu dans toute la gamme de concentrations mais hétérogènes à température ambiante au-dessus de 30% en poids de particules. En diluant un mélange Laponite/PEO dans le PMMA, nous avons montré que ces domaines se concentrent en particules en dessous de 30% de PEO et qu'une cocontinuité de phases PEO contenant les particules et PMMA essentiellement pur est formée au-dessus de 30% de PEO. La présence des particules diminue fortement la cristallinité. / This study concerns model nanocomposites based on Laponite and polyethylene oxide, alone or blended with polymethylmethacrylate. We studied the influence of the parameters on rheological properties of model PEO/Laponite nanocomposites such as matrix molecular weight, preparation method. The best dispersion state of the particles is obtained from solution. Melt dispersion leads to a low frequency modulus which depends on the length and grafting density of the particles. Heterogeneous materials are obtained from melt dispersion of a master batch. PMMA/PEO blends appear to be homogeneous at room temperature only for PEO concentration less than 30wt%. Laponite particles are concentrated in small domains where most of PEO has been extracted. At higher concentrations of PEO, a continuous phase containing PEO and Laponite above percolation concentration is observed, leading to an elastic modulus at low frequency. The presence of Laponite decreases significantly the crystallinity of PEO.

Les matériaux nanostructurés suscitent un intérêt qui va croissant en raison de leurs propriétés chimiques et physiquesexceptionnelles. A cause de la complexité et du coût des développements expérimentaux à l’échelle nano, la simulationnumérique devient une alternative de plus en plus populaire aux études expérimentales. Dans ce travail de thèse, nous avons essayé de combiner des simulations à l’échelle atomique avec de la modélisation en milieu continu pour évaluer la conductivité thermique et la réponse élastique de matériaux nanostructurés. Nous avons utilisé des simulations de dynamique moléculaire pour calculer la réponse mécanique et thermique des matériaux sur des volumes à l’échelle nano. Des méthodes de micromécanique et la méthode des éléments finis, qui utilisent la mécanique des milieux continus, ont permis d’évaluer les propriétés mécaniques des matériaux à l'échelle macroscopique. Les résultats obtenus par ces simulations numériques ont été ensuite comparés avec ceux issus de l’expérience. / Nanostructured materials are gaining an ongoing demand because of their exceptional chemical and physical properties. Due to complexities and costs of experimental studies at nanoscale, computer simulations are getting more attractive asexperimental alternatives. In this PhD work, we tried to use combination of atomistic simulations and continuum modeling for the evaluation of thermal conductivity and elastic stiffness of nanostructured materials. We used molecular dynamics simulations to probe and investigate the thermal and mechanical response of materials at nanoscale. The finite element and micromechanics methods that are on the basis of continuum mechanics theories were used to evaluate the bulk properties of materials. The predicted properties are then compared with existing experimental results.

Les nanocomposites polymères ont fait l'objet de recherches académiques et industrielles au cours des dernières décennies, du fait de leurs remarquables propriétés mécaniques et rhéologiques comparés aux polymères purs. En particulier, ils présentent du renforcement pour des fractions volumiques modérées, et des effets non linéaires pour des déformations relativement faibles. Malgré des décennies de recherche, la relation entre la rhéologie et la structure des nanocomposites est loin d'être comprise. Les simulations atomistiques peuvent donner une vision détaillée de l'interaction entre la dynamique des chaînes polymères et les charges renforçantes à une échelle locale. Cependant, il est difficile d'aborder les propriétés émergentes à une échelle mésoscopique, par exemple, simuler un grand nombre d'agrégats dans une matrice polymère enchevêtrée reste toujours hors de portée. Dans ce travail, nous proposons un modèle mésoscopique pour simuler la rhéologie des nanocomposites avec un fluide simple ou une matrice polymère enchevetrée, en utilisant la dynamique brownienne et la dynamique généralisée de Langevin, respectivement. Dans les deux dynamiques, le mouvement des chaines de polymère n'est pas décrit de façon explicite et son effet sur la dynamique de la charge est «moyenné». En utilisant ce modèle, nous étudions l'influence du type de charge, de leur taille, morphologie, et fraction volumique sur la rhéologie du composite modèle, ainsi que la morphologie des charges dans les simulations. Un cas particulièrement intéressant est celui d'agrégats quasi-fractals, qui peuvent être flexibles ou bien rigides. Nous démontrons que les systèmes avec agrégats présentent un renforcement significatif, qui augmente avec la taille des agrégats, leur rigidité, leur fraction volumique et leur polydispersité en taille. Une relaxation lente est également mise en évidence, et nous montrons qu'elle est liée à la rotation lente des agrégats. L'effet Payne, associé à la réponse non linéaire des modules dynamiques avec l'amplitude de déformation de cisaillement, est également observé pour nos modèles de composites. Nous faisons le lien entre l'arrangement microscopique des charges sous cisaillement et les propriétés macroscopiques du composite / Polymer nanocomposites have drawn a lot of attention both from the academic and industrial research in the last decades, thanks to their remarkable mechanical and rheological properties as compared to pure polymers. In particular, they may display reinforcement for moderate volume fractions, and several non linear effects that appear for small deformation amplitudes. In spite of decades of research, the relation between nanocomposites structure and rheology is far from being understood. Atomistic simulations can give a detailed view of the interplay between polymer chains dynamics and fillers at a local scale. However, it is much more difficult to address the properties emerging at a mesoscopic scale, for instance, to simulate a large number of aggregates in an entangled polymeric matrix remains out of reach. In this work, we build a mesoscopic model to simulate the rheology of polymer nanocomposites with a simple fluid and an entangled polymer matrix, by using the Brownian dynamics and the generalized Langevin dynamics, respectively. In both cases, the motion of the polymer chains is not explicitly described and its effect on the filler dynamics is "averaged out". Using this model, we quantitatively determine the influences of the filler type, the filler volume fraction, size and morphology on the rheology of the model composite. Of particular interest is the case of fractal-like aggregates, which may be flexible or rigid. We demonstrate that model aggregates display significant reinforcement, which increases with the aggregate size, aggregate rigidity, filler volume fraction and polydispersity. Long relaxation times are also evidenced, which are related to the slow rotation of the aggregates. The well-known Payne effect, associated to the nonlinear response of the dynamic moduli with the shear deformation amplitude, is also seen in our model composites. We relate the behavior of microscopic filler to the macroscopic properties of the composite

La thèse concerne les synthèse et caractérisation de composites polymères nanostructurés à base d’esters de cyanates de bisphénol a (DCBA) ou à base d’oligomères cycliques de butylène téréphtalate (CBT) et de nanotubes de carbone multi-parois (MWCNTS). L’effet catalytique des nanotubes de carbone sur la polycyclotrimerisation de DCBA et aussi sur la polymérisation du CBT est observé. L’augmentation de la température de cristallisation a été fixée pour tous les échantillons de nanocomposites à base de polybutylène téréphtalate (cPBT). L’effet de la méthode de mise en forme de cPBT/MWCNTS sur ses propriétés thermiques et électriques a été établi. Il est observé que le traitement thermique additionnel des échantillons (recuit) à des températures inférieures à celle de la fusion du cPBT cause la réagglomération des MWCNTS dans le système. Il est établi que l’ajout de très bas taux de MWCNTS (0.03-0.06 pour cent en masse) dans la matrice de polycyanurate (PCN) augmente les valeurs de résistance à la flexion (64-94 pour cent). De même l’ajout de 0.01 pourcent de MWCNTS en masse dans le CBT augmente considérablement le module d'élasticité des nanocomposites cPBT. Cet effet a été expliqué par la dispersion efficace de cette faible quantité de nanocharges pendant la synthèse in situ de la matrice de cPBT et est confirmée par les clichés en microscopie. Il est déterminé que les propriétés électriques des nanocomposites à base d’esters hétérocycliques et MWCNTS peuvent varier de matériaux isolants aux matériaux conducteurs. Les seuils de percolation des deux systèmes sont très bas (0.22 et 0.38 pourcent pour nanocomposites à base de cPBT et PCN respectivement). La conductivité des composites conducteurs est particulièrement stable sur un large domaine de température ce qui laisse présager des applications intéressantes dans le domaine de la microélectronique et pour des pièces d’avion et de navettes spatiales. / The thesis relates to synthesis and investigation of nanostructured polymer composites based on oligomers of cyanate esters of bisphenol a (DCBA) or cyclic butylene terephthalate (CBT) and multiwalled carbon nanotubes (MWCNTS). Catalytic effect of mwcnts in process of DCBA polycyclotrimerization as well as in cbt polymerization has been observed. Significant increase in crystallization temperature of nanocomposites based on polybutylene terephthalate (cPBT) with adding of MWCNTS is observed. The effect of processing method of cpbt/mwcnts nanocomposites on its electrical properties has been found. It has been established that the additional heating of the samples (annealing) at temperatures above melting of cPBT leads to reagglomeration of MWCNTS in the system. It is established that reagglomeration of MWCNTS results in increase of conductivity values of nanocomposites due to formation of percolation pathways of MWCNTS through polymer matrix. In the case of polycyanurate matrix (PCN), it is found that addition of small mwcnts contents (0.03-0.06 weight percents) provides increasing tensile strength by 62-94 percents. It has been found that addition of even 0.01 weight percents of MWCNTS provides significant increase in storage modulus of cPBT matrix. This is explained by effective dispersing of small amount of the nanofiller during in situ synthesis of pcn or cpbt matrix that is confirmed by microscopy techniques. It has been established that the properties of the nanocomposites based on heterocyclic esters and MWCNTS can be varied from isolator to conductor and has low percolation thresholds (0.22 and 0.38 weight percents for cPBT and PCN nanocomposites respectively). The conductivity of samples is particularly stable on a very large range of temperature from 300 to 10 degrees Kelvin that make these materials perspective for practical applications in microelectronics, as parts of aircraft and space constructions.