Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Aujourd'hui, les fluoropolymères sont largement utilisés dans différentes industries, notamment l'industrie textile, du bâtiment et des instruments médicaux. Leur inertie chimique et leur faible coefficient de frottement font qu'ils sont adaptés à différentes applications. Cependant, leur faible énergie de surface conduit à une mauvaise adhérence lors de l'assemblage des dispositifs composites. Parmi les différentes techniques utilisées pour améliorer leur adhérence, les décharges à barrière diélectrique à la pression atmosphérique constituent une méthode rapide et peu coûteuse avec un impact environnemental réduit. Dans une décharge contenant des précurseurs polymérisables, les espèces très énergétiques présentes dans le gaz ionisé permettent la rupture de liaisons moléculaires en phase gazeuse et la croissance de films minces à la surface du polymère. De plus, la décharge à la pression atmosphérique a été largement utilisée ces dernières années pour modifier les surfaces des polymères dans différents secteurs. Cette technique a l'avantage de réduire le coût du processus car elle élimine le besoin de systèmes à vide et permet de gagner du temps car moins de préparation est nécessaire pour utiliser le réacteur par rapport aux conditions de plasma à basse pression. Par conséquent, ce processus est rapide et économique, ce qui le rend adapté aux applications industrielles. Bien que cette approche se soit avérée efficace, les différents processus chimiques et physiques qui se produisent dans la décharge ne sont pas encore entièrement compris. Premièrement, l'utilisation de la décharge à la pression atmosphérique implique souvent des filaments localisés à haute énergie. Ce phénomène conduit à une modification inhomogène de la surface et/ou pourraient induire des dommages à l'échantillon par transfert de chaleur localisé. Aussi, la modification par plasma à la pression atmosphérique induite sur le polymère ne dure généralement que quelques jours. L'ajout d'un précurseur organique contenant des groupements polaires à cette décharge permet le dépôt de certaines fonctionnalités chimiques hydrophiles. Cela peut augmenter l'adhérence et la durée de vie du revêtement du polymère modifié. Aussi, il est possible d'éviter la formation de filaments localisés avec un système de régulation de puissance pour atteindre la puissance requise sans échauffement de surface. Cela limite le courant lors de la montée en tension et ralentit les mécanismes de claquage rapide. Dans cette recherche, des surfaces de fluoropolymères ont été modifiées à l'aide d'une décharge à barrière diélectrique à pression atmosphérique dans un environnement d'azote et d'un précurseur organique. L'effet de la décharge sur un fluoropolymère a été étudié par une analyse de surface détaillée avant et après chaque traitement. La caractérisation de l'extrême surface a été réalisée par spectroscopie de photoélectrons X (XPS) à la fois en survol et en haute résolution C1s. De plus, la spectroscopie infrarouge en mode de réflectance totale atténuée (ATR-FTIR) a été utilisée pour évaluer les modifications observées sur les premiers micromètres de la surface des échantillons. Du point de vue de la décharge, la puissance appliquée a été contrôlée en utilisant un rapport cyclique (DC) pour augmenter la puissance à travers une onde pulsée. Cela a été fait pour contrôler la fonctionnalisation de la surface sans surchauffer la surface ni endommager le polymère. Les résultats montrent la formation d'une variété de nouvelles fonctionnalités hydrophiles. Dans ce contexte, plusieurs expériences ont été réalisées pour mieux comprendre le mécanisme de formation de ces liaisons à la surface du fluoropolymère. Tous les résultats ont été corrélés avec la modification de l'énergie de surface obtenue à partir de l'analyse de l'angle de contact statique mesuré à la fois avec de l'eau et du diiodométhane. Enfin, la profilométrie a été utilisée pour corréler les paramètres du plasma au taux de croissance des différents films minces produits. Ces découvertes prometteuses constituent une étape importante vers une meilleure compréhension des modifications chimiques induites sur les polymères fluorés par ce procédé sec. / Today, fluoropolymers are widely employed in different industries, including textiles, buildings, and medical instruments. Their chemical inertness and low friction coefficient make them suitable for different applications. However, their low surface energy leads to poor adhesion during the assembly of composite devices. Among the different techniques used to enhance their adhesion, atmospheric pressure discharges provide a fast and low-cost method with a reduced environmental impact. The highly energetic species present in the ionized gas allow the breaking of molecular bonds in the gas phase and the growth of thin films on the polymer surface. In addition, atmospheric pressure discharge has been widely used in recent years to modify the surfaces of polymers in different sectors. This technique has the advantage of reducing the cost of the process because it eliminates the need for vacuum systems and gains time as no extreme preparation is needed before using the reactor. Therefore, this process is fast and cost-effective, which makes it suitable for industries. Although this approach has proven to be efficient, the different chemical and physical processes happening in the discharge remain not fully understood. First, the plasma modification induced on the polymer usually lasts only a few days. Also, the use of atmospheric pressure discharge often involves highly energetic localized filaments. This phenomenon leads to an inhomogeneous modification of the surface and/or could induce damage to the sample due to localized heat transfer. Initially, adding an organic precursor to this discharge makes it possible to form a specific hydrophilic chemical function and deposit it on the surface. This can increase the adhesion and coating lifetime of the modified polymer. Also, it is possible to avoid the formation of localized filaments, with a system for power regulation to reach the required power without surface overheating. This limits the current during the voltage increase and slows down the rapid breakdown mechanisms. In this study, fluoropolymer surfaces were modified using an atmospheric pressure dielectric barrier discharge in a nitrogen and organic precursor environment. The effect of the discharge on a fluoropolymer was studied through a detailed surface analysis before and after each treatment. The characterization of the extreme surface was carried out by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) in both the survey and C1s high resolution modes. In addition, infrared spectroscopy in attenuated total reflectance mode (ATR-FTIR) was used to evaluate the modifications observed on the first few top micrometers of the samples. Concurrently, the applied power was regulated using a duty cycle (DC) to increase the power via a pulsed wave. This was done to optimize the surface's functionalization without overheating the surface or harming the bulk of the polymer. The results show the formation of a variety of new hydrophilic functionalities and several experiments were performed to build a better fundamental understanding of the mechanism of a thin film formation on the fluoropolymer surface. All results were correlated with the modification of the surface energy obtained from the static contact angle analysis measured using both water and diiodomethane. Finally, profilometry was used to correlate the plasma parameters to the growth rate of the different thin films produced. These promising findings are an important step toward gaining a better understanding of the chemical modifications induced on fluoropolymers by this dry process.

De nos jours, l’utilisation des composites polymères fonctionnels s’accentue avec la progression de la recherche dans ce domaine. Les objectifs du projet de maîtrise se penchent sur deux problématiques qui touchent la détermination et l’amélioration de la résistivité électrique des mélanges polymériques. La première partie est axée sur les fonctionnalités de la fluorescence dans le domaine des polymères. Le noir de carbone provoque la diminution de l’intensité de fluorescence de l’anthracène jusqu’à l’éteindre complètement; pour un pourcentage aux alentours de 1% dans les films de polypropylène et jusqu’à 4x10-3 mol\L en solution de chloroforme. La deuxième partie a pour objectif d’améliorer la moulabilité des plaques bipolaireset et d’étudier l’effet de l’élastomère sur la résistivité électrique du mélange polyfluorure de vinylidène/polyéthylène téréphtalate/ noir de carbone /graphite. La résistivité électrique diminue en augmentant la concentration de noir de carbone et en ajoutant 5% à 7,5% de d’élastomère. / Nowadays, the use of composites increases with the progress of research. From this context, this work has been prepared for the master project. The project objectives are addressing two issues that affect the determination and the improvement of the electrical resistivity of polymer blends. The first part focuses on the features of the fluorescence in the field of polymers. The carbon black is acting as quencher; it causes the decrease of the fluorescence intensity of the anthracene to turn it off completely for a percentage of 1% in the films and 4x10-3 mol/L of chloroform solution. The second part studies the effect of a thermoplastic elastomer, on the electrical resistivity of the composite polyvinylidene fluoride /polyethylene terephthalate/ carbon black/graphite. It was observed that the electrical resistivity of the blends decreases with increasing carbon black concentration and the addition of 5% and 7.5% of the elastomer.

Cette thèse de doctorat présente une contribution pour la mise en oeuvre de films polymères cellulaires piézoélectriques ayant la capacité de transformer une contrainte mécanique en une réponse électrique (effet piézoélectrique direct) et inversement une stimulation électrique engendre une déformation du matériau (effet piézoélectrique inverse). Le développement de ces films a été obtenu par l'utilisation des montages expérimentaux développés dans le cadre de ce travail pour chaque étape du procédé. Les matériaux choisis sont le polypropylene (PP), le polyethylene haute densité (PEHD) et les particules de carbonate de calcium (CaCO₃) le procédé de chargement électrique a été obtenu par le l'effet couronne. Les résultats obtenus ont été structurés en quatre parties présentées sous forme de quatre articles : La première partie présente l'obtention de films minces par étirage bi-axial après extrusion sous forme de films épais. L'opération d'étirage bi-axial a été réalisée avec un système mécanique modulaire conçu et réalisé dans le cadre de ce travail et qui a fait l'objet d'un dépôt de brevet d'invention. Les matériaux étudiés dans cette partie sont le PP et le HDPE. La deuxième partie présente la fabrication de films minces composites à structure cellulaire non interconnectée par étirage bi-axial. Les matériaux utilisés sont de nouveau le PP et le HDPE chargés par des particules de CaCCO₃ Les films obtenus ont été caractérisés par la porosimétrie à mercure et la microscopie électronique à balayage. La troisième partie présente le gonflement par diffusion de gaz (N2) et le chargement électrique par le procédé couronne de films de PP/CaCO₃ étirés bi-axialement. L'effet piézoélectrique a été caractérisé dans le cas d'effet piézoélectrique direct en mode de sollicitation quasi-statique et dynamique. La quatrième et dernière partie présente la modélisation de l'effet piézoélectrique suivant l'épaisseur du film composite et cellulaire. Le modèle développé permet la détermination du coefficient de piézoélectricité (d₃₃) suivant l'épaisseur en fonction de la morphologie cellulaire, la porosité, l'épaisseur, le coefficient diélectrique du matériau polymère et le module de Young.

Cette thèse de doctorat présente une contribution à la fabrication de films polymères cellulaires. Ces matériaux ont récemment fait l’objet d’un vif intérêt aux niveaux académique et industriel grâce à leurs propriétés intéressantes combinant les avantages des polymères et des mousses, et en particulier leur potentiel pour des applications piézoélectriques. En fait, sous l’effet d’un chargement électrique approprié (décharge corona), les films polymères cellulaires peuvent fournir une conversion entre des énergies mécanique et électrique pour être utilisés comme capteurs ou actionneurs. Tout d'abord, une méthode de production de films cellulaires en polyéthylène (PE) combinant le moussage chimique et l'extrusion-gonflage de film a été développée. Ce processus permet d'imposer un étirement biaxial aux échantillons lors de la formation de la structure cellulaire, ce qui favorise l'activité piézoélectrique de l'échantillon. Plusieurs compromis ont été faits pour améliorer la qualité du moussage. Cette optimisation était principalement basée sur une revue de la littérature et des observations directes lors des essais préliminaires. Les propriétés morphologiques ont été présentées et discutées en termes de paramètres de mise en œuvre, à savoir le profil de température, la vitesse de rotation des vis, le débit d'alimentation, le taux d’étirage (TUR), le taux de gonflage (BUR), ainsi que la composition de la matrice. Ces paramètres ont été optimisés pour produire une structure cellulaire homogène présentant des morphologies bien définies et une structure cellulaire bien développée avec des cellules de forme oculaire. Ceci a permis de diminuer le module élastique dans le sens de l'épaisseur et aussi de créer plus de surface spécifique pour la capture de charges conduisant ainsi à améliorer du coefficient piézoélectrique d₃₃. Ensuite, des traitements de pression/température ont été appliqués pour mieux contrôler la morphologie cellulaire des films, afin d’optimiser les propriétés mécaniques et la surface spécifique internede la structure cellulaire. L'étape suivante était le chargement électrique par le procédé corona permettant aux films cellulaires d’acquérir la propriété piézoélectrique. Une amélioration supplémentaire a été obtenue en optimisant le gaz utilisé lors du chargement (azote) et sa pression (15 psi) associés à des conditions de traitement telles que la tension de charge et la distance aiguille-échantillon. Enfin, des traitements thermiques (recuit) et chimiques (acide phosphorique) ont été proposés pour mieux contrôler la microstructure des films et fournir une bonne stabilité temporelle et thermique. Dans l'ensemble, le traitement chimique s'est révélé le plus efficace. À la suite de ces étapes, un échantillon optimisé avec une densité de 450 kg/m³, une épaisseur de 162 μm, un facteur de forme longitudinale (AR-L) de 7.0etun facteur de forme transversale (AR-T) de 4.1 a été fabriqué. Les propriétés piézoélectriques rapportées sont très élevées (même comparées au polypropylène (PP) qui est la polyoléfine la plus utilisée dans ce domaine) avec un coefficient d₃₃ initial de 1315 pC/N se stabilisant après 50 jours à 792 pC/N et une bonne stabilité thermique, car les films restent chargés avec de bons coefficients piézoélectriques (280 pC/N) jusqu’à 80°C. Ces valeurs ont été améliorées par l'application d'un procédé combiné d’inversement de charge et d’empilement de trois couches donnant un d₃₃ initial de 3270 pC/N, un d₃₃ stabilisé de 1580pC/N après 50 jours et une valeurde 641 pC/N à 80°C. Ces films de PE ferroélectrets aux propriétés piézoélectriques importantes peuvent être maintenant exploités pour la production à grande échelle de capteurs et de transducteurs à base d’électret. / This doctoral thesis presents a contribution on the fabrication of cellular polymer films. These materials have recently experienced a great interest at academic and industrial levels thanks to their interesting properties combining the advantages of both polymers and foams, in particular their potential for piezoelectric applications. In fact, after charging by an appropriate method (corona discharge), cellular polymers can provide high electrical/mechanical energy conversion to be used as sensors or actuators. Firstly, a method to produce polyethylene (PE) cellular films using extrusion film-blowing was developed. This process allowed to impose biaxial stretching on the samples while foaming, which is believed to enhance the piezoelectric activity of the samples. Several compromises were made to improve the foaming quality. This optimization was mainly based on a literature review and direct observations during preliminary trials. Morphological properties were presented and discussed in terms of processing parameters, namely the temperature profile, screw rotational speed, feeding rate, take-up ratio (TUR), blow-up ratio (BUR), as well as the matrix composition. These parameters were optimized to produce a homogeneous cellular structure with defined morphologies and a well-developed eye-like cellular structure, which is important to decrease the elastic stiffness in the thickness direction and to provide more surface for charge capturing via cell deformation, thus improving the piezoelectric coefficient d₃₃. Then, pressure/temperature treatments were applied to further control the cellular morphology of the films and optimize the mechanical properties and internal specific surface area of the cellular structure.The next step was the electric charging by corona discharge producing cellular films with piezoelectric activity. Further improvement was obtained by optimizing the gas used (nitrogen) and its pressure (15 psi) combined with processing conditions such as the charging voltage and the needle-sample distance. Finally, thermal (annealing) and chemical (phosphoric acid) treatments have been proposed to further control the microstructure of these films and to provide good time and thermal stability. Overall, the chemical treatment was found to be the most efficient. Following these steps, an optimized sample with a density of 450 kg/m³, a thickness of 162 μm, a longitudinal cell aspect ratio (AR-L) of 7.0 and a transversal cell aspect ratio (AR-T) of 4.1 was developed. The piezoelectric properties reported are very high (even compared to PP which is the most used polyolefin in this field) with an initial d₃₃ of 1315 pC/N stabilizing after 50 days at 792 pC/N and a good thermal stability since the films remained charged with good piezoelectric coefficients (280 pC/N) up to 80°C. The values were further improved when a three-layered reverse charging method was appliedgiving an initial d₃₃ of 3270 pC/N, a stabilized d₃₃ of 1580pC/N after 50 days and a value of 641 pC/N at 80°C. These ferroelectret PE films with important piezoelectric properties can now be exploited for the large-scale production of electret-based sensors and transducers.

Cette thèse propose un nouveau concept d'analyse, de quantification et de prédiction de la fatigue mécanique d'un polymère amorphe à l'aide d'une méthode basée sur la décomposition de la contrainte via la transformation de Fourier. En particulier, des essais de fatigue ont été réalisés sous déformation contrôlée en torsion et en tension/tension. La déformation, le couple et la force ont été enregistrés en fonction du temps et décomposés en contributions linéaires et non-linéaires, quantifiés par des harmoniques plus élevées. De plus, trois concepts ont été développés pour déterminer quantitativement le comportement mécanique des échantillons en fonction du temps. Premièrement, il a été établi que la génération de fissures macroscopiques était en corrélation avec l’augmentation soudaine de l’intensité de I2/1. Deuxièmement, une méthode directe pour prédire la durée de vie en fatigue a été développée, basée sur le taux de changement de I3/1 par rapport au nombre de cycle N (dI3/1/dN) avant l'apparition de la rupture. Cette prédiction s'est avérée beaucoup plus précise que les prédictions des courbes de Wöhler puisque les corrélations présentent en moyenne des écarts-types beaucoup plus faibles (30 vs 60%). Troisièmement, un critère de fatigue basé uniquement sur la non-linéarité mécanique a été développé, appelé la non-linéarité cumulée Qf. Ce paramètre corrèle l'intégrale de la non-linéarité Q (Q = I3/1/yo²) jusqu'à la rupture avec le nombre de cycles à la rupture Nf. L'écart-type de la corrélation Qf vs Nf s'est avéré inférieur à 30%, indiquant que Qf est un critère de fatigue plus précis que ceux couramment utilisés tels que la densité d'énergie dissipée cumulée ou la contrainte cumulée (±50%). Enfin, ces trois concepts ont été appliqués avec succès dans différentes conditions (type de déformation, plage de fréquence, amplitude de déformation) et différents polymères tels que le polystyrène (PS), le polyméthylméthacrylate (PMMA), le styrène acrylonitrile (SAN) et le polytertbutylméthylacrylate (PtBMA). / This thesis proposes a new framework to analyse, quantify and predict the mechanical fatigue of amorphous polymer using a method based on the decomposition of the stress response via Fourier transform. In particular, fatigue tests were performed under strain controlled torsion and tension/tension deformation and the time data of the strain, torque and force were recorded and decomposed into linear and nonlinear contributions via higher harmonics. In particular, three concepts have been developed to quantitatively determine the time behavior of the samples. Firstly, the generation of macroscopic cracks was found to correlate with sudden increases in the I2/1 intensity. Secondly, an on-line method to predict the fatigue lifetime was developed, based on the rate of change of I3/1 with respect to the cycle number N (dI3/1/dN) before the onset of failure. This prediction was found to be more precise than Wöhler curves predictions since the correlations have on average much lower standard deviations (30 vs. 60%). Thirdly, a fatigue criterion solely based on mechanical nonlinearity was developed: the cumulative nonlinearity Qf. This parameter correlates the integral of the nonlinearity Q (Q = I3/1/yo²) until failure with the number of cycles to failure Nf. The standard deviation of the Qf vs. Nf correlation was found to be less than 30%, indicating that Qf is a more precise fatigue criterion than commonly used ones such as the cumulative dissipated energy density or the cumulative stress (±50%). Finally, these three concepts were successfully applied on different conditions (type of deformation, range of frequency, deformation amplitude) and polymers such as polystyrene (PS), polymethylmethacrylate (PMMA), styrene acrylonitrile (SAN) and polytertbuthylmethacrylate (PtBMA).

Les polymères amphiphiles sont largement utilisés pour les applications biomédicales et pharmaceutiques. Afin d’améliorer les chances de biocompatibilité des nouveaux polymères que nous voulons développer, nous avons utilisé des composés naturels, les acides biliaires, comme produits de départ dans la synthèse de ces polymères. De nouveaux polymères anioniques amphiphiles dérivés de l’acide cholique ont été préparés par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes. Par un contrôle rigoureux des conditions de polymérisation, des bras de poly(acide acrylique) de différentes longueurs ont été greffés sur le squelette de l’acide cholique. L’architecture moléculaire des polymères a été étudiée par spectroscopie 1H RMN et par spectrométrie de masse. Ces polymères en étoile formés par l’acide biliaire modifié sont capables de s’agréger dans l’eau même si les groupements hydroxyles ont été remplacés par des segments plus volumineux. Il a été observé que les liaisons ester entre le polymère et le cœur d’acide cholique sont sensibles à l’hydrolyse en solution aqueuse. Pour remédier au problème de stabilité en solution aqueuse et pour avoir, en même temps, des bras hydrophiles non ioniques et biocompatibles, de l’oxyde d’éthylène a été polymérisé sur l’acide cholique par polymérisation anionique. Les liaisons éther formées entre le polymère et les groupements hydroxyles de l’acide biliaire sont plus stables que les liaisons ester sur le polymère de poly(acide acrylique). Les conditions de réaction de la polymérisation anionique ont été optimisées et ont donné des polymères aux architectures et aux masses molaires contrôlées. Les nouveaux polymères forment des agrégats sphériques tel qu’observé par microscopie électronique à transmission avec des échantillons préparés par la méthode de fracture à froid. Leur morphologie est différente de celle des agrégats cylindriques formés par les acides biliaires. Avec la méthode optimisée pour la polymérisation anionique, l’éther d’allyle et glycidyle a été polymérisé sur un dérivé d’acide cholique, suivi par une thiolation des liaisons doubles pour introduire l’amine ou l’acide sur la chaîne polymère. Cette addition radicalaire est efficace à plus de 90%. Les polymères qui en résultent sont solubles dans l’eau et s’agrègent à une certaine concentration critique. Il est particulièrement intéressant d’observer la thermosensibilité des polymères ayant des groupements amine, laquelle peut être modulée en acétylant partiellement les amines, donnant des points nuages entre 15 et 48°C. / Amphiphilic polymers are very useful in biomedical and pharmaceutical applications. To improve the biocompatibility of such polymers, we chose to use natural compounds such as bile acids as the starting material in the synthesis of the polymers. New anionic polymers have been prepared by atom transfer radical polymerization. Poly(acrylic acid) arms of various lengths have been grafted onto a bile acid core. The molecular architecture has been confirmed by 1H NMR spectroscopy and by mass spectrometry. The star polymers obtained from modified bile acid can aggregate in water, even though the hydroxyl groups were replaced by bulkier chains. The ester linkages between the polymers and the bile acid core are prone to hydrolysis in aqueous solutions. In order to improve the stability of the polymers in aqueous solutions and to introduce neutral and biocompatible hydrophilic arms, ethylene oxide has been polymerized onto a cholic acid core by anionic polymerization. The ether linkages formed between the hydroxyl groups of the bile acid and the poly(ethylene glycol) are more stable than the ester linkages formed with the poly(acrylic acid) polymers. The reaction conditions for the anionic polymerization have been optimized and provided well-defined polymers with narrow molecular weight distributions. The new polymers formed spherical aggregates as shown by transmission electron microscopy with samples prepared by the freeze-fracture technique. Their morphology is different from those of the cylindrical aggregates formed by bile salts. With the optimized method for anionic polymerization, allyl glycidyl ether was grafted onto a derivative of cholic acid, followed by thiolation, a radical addition, of the allyl groups to introduce amine or carboxylic acid groups to the polymer chains. This radical addition had an efficiency of more than 90%. The resulting polymers were water-soluble and were found to aggregate above a certain critical concentration. It is particularly interesting to observe thermosensitivity of the star polymers bearing amine groups. The thermosensitivity of such polymers can be further tuned by partial acetylation of the amine groups, yielding polymers with cloud points in the temperature range from 15 to 48°C.

La spectroscopie de plasma induit par laser ou LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) est une technique analytique élémentaire avec des limites de détection de l'ordre du ppm et ceci sur tous types d'échantillon liquides, solides ou gazeux. Sa simplicité, sa rapidité de mesure et sa versatilité en font une technique très attractive avec un fort potentiel d'application pour le contrôle en ligne, l'environnement ou l'exploration spatiale. Son point faible reste cependant son manque de fiabilité dans l'analyse quantitative, en particulier lors de l'étude de matériaux hétérogènes ou de matrices complexes telles que matériaux organiques. Ce travail de thèse propose une étude des propriétés des plasmas induit par laser sur différentes familles de polymères. Une étude au temps court (~ns) par ombroscopie est tout d'abord présentée, ceci pour de différents paramètres du laser. Un diagnostic complet du plasma par spectroscopie d'émission est ensuite détaillé pour différents délais de détection et montre que la mesure des températures des différentes espèces du plasma permet de vérifier l'hypothèse de l'équilibre thermodynamique local, nécessaire à la mise en place de procédure quantitative telle que la méthode dite sans calibration, tout en optimisant le rapport signal sur bruit de la mesure. Dans nos expériences, cette optimisation est mise à profit pour l'identification de différentes familles de polymères en utilisant, pour le traitement des données, la méthode des réseaux de neurones artificiels. Les résultats obtenus, très prometteurs, permettent d'envisager l'utilisation de la LIBS pour l'identification en temps réel de matières plastiques sur une chaine de tri.

Les polymères amphiphiles sont largement utilisés pour les applications biomédicales et pharmaceutiques. Afin d’améliorer les chances de biocompatibilité des nouveaux polymères que nous voulons développer, nous avons utilisé des composés naturels, les acides biliaires, comme produits de départ dans la synthèse de ces polymères. De nouveaux polymères anioniques amphiphiles dérivés de l’acide cholique ont été préparés par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes. Par un contrôle rigoureux des conditions de polymérisation, des bras de poly(acide acrylique) de différentes longueurs ont été greffés sur le squelette de l’acide cholique. L’architecture moléculaire des polymères a été étudiée par spectroscopie 1H RMN et par spectrométrie de masse. Ces polymères en étoile formés par l’acide biliaire modifié sont capables de s’agréger dans l’eau même si les groupements hydroxyles ont été remplacés par des segments plus volumineux. Il a été observé que les liaisons ester entre le polymère et le cœur d’acide cholique sont sensibles à l’hydrolyse en solution aqueuse. Pour remédier au problème de stabilité en solution aqueuse et pour avoir, en même temps, des bras hydrophiles non ioniques et biocompatibles, de l’oxyde d’éthylène a été polymérisé sur l’acide cholique par polymérisation anionique. Les liaisons éther formées entre le polymère et les groupements hydroxyles de l’acide biliaire sont plus stables que les liaisons ester sur le polymère de poly(acide acrylique). Les conditions de réaction de la polymérisation anionique ont été optimisées et ont donné des polymères aux architectures et aux masses molaires contrôlées. Les nouveaux polymères forment des agrégats sphériques tel qu’observé par microscopie électronique à transmission avec des échantillons préparés par la méthode de fracture à froid. Leur morphologie est différente de celle des agrégats cylindriques formés par les acides biliaires. Avec la méthode optimisée pour la polymérisation anionique, l’éther d’allyle et glycidyle a été polymérisé sur un dérivé d’acide cholique, suivi par une thiolation des liaisons doubles pour introduire l’amine ou l’acide sur la chaîne polymère. Cette addition radicalaire est efficace à plus de 90%. Les polymères qui en résultent sont solubles dans l’eau et s’agrègent à une certaine concentration critique. Il est particulièrement intéressant d’observer la thermosensibilité des polymères ayant des groupements amine, laquelle peut être modulée en acétylant partiellement les amines, donnant des points nuages entre 15 et 48°C. / Amphiphilic polymers are very useful in biomedical and pharmaceutical applications. To improve the biocompatibility of such polymers, we chose to use natural compounds such as bile acids as the starting material in the synthesis of the polymers. New anionic polymers have been prepared by atom transfer radical polymerization. Poly(acrylic acid) arms of various lengths have been grafted onto a bile acid core. The molecular architecture has been confirmed by 1H NMR spectroscopy and by mass spectrometry. The star polymers obtained from modified bile acid can aggregate in water, even though the hydroxyl groups were replaced by bulkier chains. The ester linkages between the polymers and the bile acid core are prone to hydrolysis in aqueous solutions. In order to improve the stability of the polymers in aqueous solutions and to introduce neutral and biocompatible hydrophilic arms, ethylene oxide has been polymerized onto a cholic acid core by anionic polymerization. The ether linkages formed between the hydroxyl groups of the bile acid and the poly(ethylene glycol) are more stable than the ester linkages formed with the poly(acrylic acid) polymers. The reaction conditions for the anionic polymerization have been optimized and provided well-defined polymers with narrow molecular weight distributions. The new polymers formed spherical aggregates as shown by transmission electron microscopy with samples prepared by the freeze-fracture technique. Their morphology is different from those of the cylindrical aggregates formed by bile salts. With the optimized method for anionic polymerization, allyl glycidyl ether was grafted onto a derivative of cholic acid, followed by thiolation, a radical addition, of the allyl groups to introduce amine or carboxylic acid groups to the polymer chains. This radical addition had an efficiency of more than 90%. The resulting polymers were water-soluble and were found to aggregate above a certain critical concentration. It is particularly interesting to observe thermosensitivity of the star polymers bearing amine groups. The thermosensitivity of such polymers can be further tuned by partial acetylation of the amine groups, yielding polymers with cloud points in the temperature range from 15 to 48°C.

L’objectif de cette thèse est de développer des matériaux organiques rédox à base de phénothiazine pour être utilisés à l’électrode positive des batteries lithium. Les matériaux organiques s’inscrivent en rupture des matériaux inorganiques coûteux et toxiques. Dans ce but, des matériaux rédox contenant l’unité phénothiazine ont été synthétisés, caractérisés. Leurs propriétés électrochimiques ont été analysées par dépôt sur électrode et par microélectrode à cavité, puis les plus prometteurs ont été testés en cellule lithium et sodium. La cible rédox choisie, la phénothiazine, a été polymérisée et substituée à un squelette phosphazène. Les tests en cellules ont mis en évidence la dissolution systématique du matériau et la nécessité d’empêcher ce phénomène rédhibitoire pour l’application batterie. Dans ce but, l’utilisation de polymères insolubles et de copolymères dotés d’une fonction post-réticulable ont permis d’augmenter significativement la cyclabilité et les performances énergétiques des cellules lithium. De plus, l’utilisation du sodium à l’électrode négative et d’anions peu lipophiles ont également permis de limiter cette contribution de dissolution. Une fonctionnalisation du carbone par la phénothiazine a également été investiguée par deux stratégies différentes. Dans les deux cas, un greffage a été réalisé avec succès. Les analyses électrochimiques ont permis de confirmer des propriétés électrochimiques très prometteuses de ces carbones modifiés. / The aim of this work is to develop phenothiazine-based redox organic materials for lithium positive electrode. Comparatively to inorganic materials, organic ones can constitute clear break by decreasing the cost, toxicity and security issues while keeping good performances. In that purpose, redox materials involving phenothiazine moieties have been synthesized, characterized, then, their electrochemical properties have been analyzed electrochemically, the most promising ones have been tested in lithium and sodium cells. The redox target chosen, the phenothiazine, has been polymerized and functionalized onto phosphazene backbone. Cell tests showed material dissolution contribution has to be avoided. In this context, insoluble polyphenothiazine and cross-linkable copolymers were able to upgrade significantly the cyclability and the energetic performances of lithium cells. Moreover, sodium cells with a poor lipophilic anion showed lower dissolution contribution. Carbon grafting by phenothiazine has also been investigated. It has been performed by electrochemical and chemical means and has led to promising electrochemical performances.

Les polymères semi-cristallins à chaînes semi-rigides, bien qu’abondamment utilisés dans la vie quotidienne, représentent des systèmes complexes qui ne sont pas encore parfaitement compris. Parmi les nombreux domaines de recherche sur cette famille de polymères, l’étude de la morphologie semi-cristalline et des processus de cristallisation et de fusion de ceux-ci restent des sujets très importants. L’investigation de la morphologie semi-cristalline est rendue difficile car elle présente une structure hiérarchique composée de plusieurs niveaux d’organisation, dont le plus petit est observable à une échelle très réduite de quelques nanomètres. De plus, les aspects liés à la cinétique des processus de cristallisation et de fusion n’ont pas toujours permis de bien les mettre en évidences, les rendant ainsi par très bien compris. Cependant, les nouvelles avancées technologiques dans le domaine de la physique expérimentales ont beaucoup profité à la science des polymères. <p>Dans ce travail, une contribution originale est apportée à cette étude, et cela en combinant diverses techniques expérimentales permettant des mesures calorifiques et structurales en températures et temps réels. L’intérêt c’est porté sur les polymères linéaires aromatiques tels que le polyéthylènes teréphthalate, PET, et le polytriméthylène téréphthalate, PTT, caractérisés par une température de transition vitreuse supérieure à l’ambiante ( Tg > 50°) et une température de fusion élevée (Tm>220°C), offrant ainsi une assez large gamme de température de cristallisation (Tm-Tg). L’étude de la structure semi-cristalline du PET à l’échelle du nanomètre et de la relaxation des phases amorphes présentes dans sa structure est facilitée par l’utilisation d’un diluant amorphe tel que le polyétherimide (PEI), qui forme un mélange miscible avec le PET. <p>L’utilisation de microscopie de force atomique AFM à haute température a permis d’observer la cristallisation isotherme de PET en temps réel et de décrire ainsi la cristallisation secondaire comme un processus d'épaississement des piles lamellaires. De plus, l’analyse de la structure semi-cristalline du PET et du PTT, dans l’espace direct, sont en faveur d’un modèle structural homogène, où l’épaisseur lamellaire moyenne est légèrement inférieure à l’épaisseur moyenne des régions amorphes interlamellaires. Ces résultats ont permis, d’une part, d’apporter une meilleure interprétation aux données obtenues par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), et d’autre part, d’ interpréter le comportement de fusion multiple caractéristique des polymères semi-cristallin à chaînes semi-rigides par le seul processus de fusion-recristallisation. Dans l’étude investiguée sur les mélanges PET/PEI et sur le PTT pur, on montre que la cinétique d’un tel processus est particulièrement rapide comparée à la cristallisation. De plus, les observations par AFM et par microscopie optique de même que les mesures SAXS en temps réel ont montré la simultanéité et la compétition existant entre la fusion des cristaux et leur réorganisation durant la chauffe. Par ailleurs, la relaxation des régions amorphes interlamellaires, souvent considérées comme rigides, a pu être mise en évidence par les mesures AFM et SAXS réalisées à haute température sur des échantillons de PET/PEI semi-cristallins.<p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished