Nous étudions la relation structure/propriétés d'hydrogels rigides composés d'un nouveau polysaccharide géant, le sacran. Ce nouveau polysaccharide possède une longueur de contour supérieure à 10 µm et une longueur de persistance intrinsèque d'à peu près 60 nm. Ainsi la réticulation de ces chaines polysaccharides est capable de former des réseaux dits rigides, dans lesquels la taille de maille est contrôlée par des segments de chaines rigides. A partir du sacran, des hydrogels physiques (liaisons transitoires) et chimiques (liaisons covalentes) ont été fabriqué dans l'optique d'observer des différences comportementales entre ces réseaux. La formation de réseaux rigides de sacran à être démontrée par l'utilisation de la microrhéologie non-conventionnelle par DWS permettant le suivi de la dynamique d'une chaine polymère individuelle composant le réseau. Différentes signatures rhéologiques propres à ces réseaux rigides ont été mises en évidence et des propriétés de strain-hardening ont été observées dans le régime non-linéaire des gels chimiques de sacran, et plus étonnamment des gels physiques également. Les strain-hardening observés pour les gels chimiques de sacran, grands devant ceux reportés dans la littérature, ont pu être modélisés permettant l'obtention des paramètres structurant ces réseaux et conduisant à leur durcissement. / We study the relationship structure/properties of rigid hydrogels composed of a new giant polysaccharide, sacran. This novel polysaccharide has a contour length larger than 10 μm and an intrinsic length of persistence of approximately 60 nm. By crosslinking the chains of this polysaccharide we expect prepare rigid networks, in which the mesh size is controlled by rigid chain segments. Physical (transient bonds) and chemical hydrogels of sacran have been prepared and their rheological properties have been studied. The formation of rigid networks of sacran has been demonstrated by using the non-conventional microrheology by DWS allowing to characterize the dynamics at single chain scale of the network. Different specific rheological signatures of these rigid networks have been highlighted and strain-hardening properties have been observed in the non-linear regime for the chemical gels, as well as for the physical gels. The strain-hardening observed for the chemical gels, which are large compared to those of other biopolymers reported in the literature, were modeled to obtain the structural parameters of these networks which lead to their hardening.

L'objet de cette thèse a été le renforcement d'un copolyester thermoplastique par extrusion réactive au sein d'une extrudeuse bi-vis. L'objectif a été de faire réagir différents additifs avec les groupements réactifs du copolyester afin de créer et d'identifier de nouvelles structures moléculaires. Différentes stratégies ont été étudiées : l'ajout de polyetheramines de différentes masses molaires et différentes fonctionnalités, l'ajout de résines phénoliques dans différentes conditions, et le développement in situ lors de l'extrusion d'une phase thermodurcissable au sein de la matrice thermoplastique par des réactions époxy-amines / The goal of this thesis work was to reinforce a thermoplastic copolyester by reactive extrusion in a twin-screw extruder. The objective was to trigger chemical reactions between different additives and the reactive groups of the copolyester in order to create and identify new molecular structures. Several strategies were studied: the addition of polyetheramines presenting different molar masses and functionalities, the addition of phenolic resins in different conditions, and the in situ development during the extrusion process of a thermoset phase in the thermoplastic matrix by epoxide-amine reactions

Résumé confidentiel / Résumé confidentiel

L'amélioration des propriétés physiques des matériaux polymères par des charges nanométriques est un enjeu permanent tant d'un point de vue fondamental qu'industriel. Le renforcement mécanique dans les nanocomposites est du à deux contributions : la qualité de la dispersion des charges et la nature de l'interaction charge/polymère. Toutefois ses deux mécanismes sont difficiles à décorreler et l'enjeu expérimental est de synthétiser des systèmes modèles permettant d'étudier ces deux effets séparément. En optimisant nos conditions de préparations nous avons synthétisé des nanocomposites modèles constitués de particules de silice dispersées dans un polymère amorphe (Polystyrène PS ou Polymèthylméthacrylate PMMA). En combinant des techniques de diffusion du rayonnement aux petits angles (X et neutrons) avec de la microscopie électronique en transmission (MET) nous avons pu caractériser l'arrangement spatial des charges sur plusieurs échelles de tailles caractéristiques (du nanomètre à plusieurs microns). Parallèlement à cette caractérisation structurale nous avons étudié les propriétés mécaniques des nanocomposites sur une large gamme de déformation. Les résultats obtenus montrent qu'à haute concentration en particules nous observons une corrélation directe entre l'augmentation du module élastique avec la formation d'un réseau connecté de petits agrégats de particules. Aux faibles concentrations en particules, lorsque les agrégats sont très éloignés les uns des autres (non connectés), une transition de type solide est mesurée mettant ainsi en évidence une contribution non structurale du matériau à la sollicitation mécanique, attribuée à des modifications à longues portées de la dynamique des chaînes de polymère ou de la conformation des chaînes. La conformation des chaînes a été étudiée par DNPA et n'est pas affectée par la présence des charges. Enfin l'évolution de la structure et de la conformation a été suivie par DXPA et DNPA mettant en évidence certaines hétérogénéités dans le champ de déformation.

Nous étudions les relations structure/propriétés d'hydrogels contenant des nanoparticules inorganiques. Les interactions spécifiques existant entre le poly(N,N-diméthylacrylamide) et des nanoparticules de silice sont à l'origine d'un fort renforcement mécanique des hydrogels, tant en termes de raideur que de résistance à la fracture. L'impact de l'introduction de nanoparticules de silice a été étudié d'un point de vue structural, thermodynamique et mécanique. Une étude détaillée des propriétés mécaniques des hydrogels hybrides à différentes échelles de temps a révélé une forte dépendance à la vitesse de sollicitation. Une modélisation du caractère viscoélastique de tels réseaux hybrides a été proposée et confrontée aux résultats expérimentaux, visant à décrire le comportement de ces doubles réseaux. Par ailleurs, une étude par techniques de diffusion de la lumière a été menée afin de caractériser la dynamique des nanoparticules de silice au sein des réseaux de polymère gonflés. Il a été démontré que le renforcement général des propriétés des hydrogels par les nanoparticules de silice est contrôlé par la dynamique de l'association PDMA/silice.

Récemment, une nouvelle technique pour renforcer les élastomères acryliques non chargés a été développée. L'élastomère a été préparé par séquences de gonflement par du monomère acrylique et polymérisation radicalaire en faisant des réseaux interpénétrés. Le prétirement des chaines du premier réseau créent des liaisons sacrificielles qui améliorent de manière significative les propriétés mécaniques de l’élastomère sans modifier sa Tg. Il est donc intéressant d’étendre cette méthode à d’autres familles d’élastomères. Ainsi, dans cette étude, la stratégie des réseaux interpénétrés a été appliquée à deux matériaux intéressants. Premièrement, un élastomère silicone a été synthétisé en utilisant une polymérisation par polycondensation par réaction d'hydrosilylation qui est significativement différente de la polymérisation utilisée pour les réseaux acryliques. Les réseaux multiples ont été ensuite synthétisés en gonflant ce réseau avec des précurseurs de petite masse et un faible pourcentage de réticulant D4H. Ces réseaux multiples en silicone ont les propriétés d’un élastomère classique, avec une énergie de rupture améliorée d’environ 100%. Deuxièmement, des particules coeur-ecorce formés de copolymères dibloc amphiphiles de poly(acide acrylique)-b-poly(acrylate de n-butyle) ou PAA-b-PBA ont été synthétisés par auto-assemblage simultané par polymérisation RAFT et préparés sous la forme de films. Ensuite, les films ont été utilisés comme des charges polymères en poly (acrylate de butyle) en utilisant une technique de réseau interpénétrés multiples. Nous avons réussi pour la première fois à renforcer l'élastomère par des particules de latex. Grâce à cette stratégie d'interpénétration qui distribue des particules de latex de manière très homogène dans l’élastomère, les films interpénétrés montrent de bonnes caractéristiques mécaniques, une résistance à la fracture et une ténacité extrêmement élevées en utilisant moins de 1% de PAA vitreux et pas de réticulant ajouté dans la particule renforçante. / Recently, a new technique to reinforce unfilled acrylic elastomers has been established. The elastomer was prepared by sequential free radical polymerization and swelling of acrylic monomers making interpenetrated networks. By introducing sacrificial bonds, the elastomer had significantly enhanced mechanical properties without changing the Tg of the material. We extended this method to two different elastomeric system to probe its generality. First, a silicone elastomer was synthesized by using polycondensation polymerization via a hydrosilylation reaction which is significantly different from the free radical polymerization used for acrylic networks. The multiple networks were synthesized by sequential swelling and polymerization steps with low molecular weight preducrosrs and a small amount of D4H crosslinker. The resulting silicone multiple networks were fully elastic elastomer with a mechanical toughness improved by about 100%. Second, core-shell latexes made of amphiphilic diblock copolymers Poly(acrylic acid)-block-poly(butyl acrylate) or PAA-b-PBA were synthesized by RAFT polymerization induced self-assembly and prepared into thin films. Different types of core-shell latexes and crosslinked latexes were synthesized and characterized both in the aqueous state and in the dry film state. The films were then used as a polymeric filler to a poly(butyl acrylate) by using the interpenetrated network technique. We succeeded for the first time to reinforce elastomers by latex particles. Thanks to interpenetrated networks strategy which distributed homogenously latex particles though the entire material, the interpenetrated films show extremely enhanced mechanical characteristics, fracture energy and toughness by using less than 1 % of glassy PAA content and no crosslinker in the reinforcing particles.

Nous avons étudié les propriétés structurales et rhéologiques de gels viscoélastiques de réseaux transitoires connectés et chargés par des nanoparticules de silice. Trois matrices viscoélastiques ont été préparées : deux microémulsions connectées possédant des gouttelettes de taille différente (30 et 100 Å) et un gel aqueux de copolymère tribloc. Les deux techniques de caractérisation employées sont la rhéologie et la diffusion de neutrons aux petits angles, ce qui nous a permis de relier les propriétés rhéologiques à la structure de ces réseaux chargés. Le facteur de renforcement rhéologique de ces gels est supérieur aux prévisions de Smallwood et d'Einstein appliquées respectivement aux élastomères et aux solutions colloïdales diluées. D'autre part, l'investigation de la structure menée par diffusion de neutrons aux petits angles montre des particules de silice bien dispersées dans la matrice. Une couche de tensioactifs est absorbée sur la surface de la silice dans le cas des microémulsions. Ce mécanisme mène à une augmentation du nombre de liens actifs par unité de volume en présence de nanoparticules. Macroscopiquement, cette augmentation permet d'expliquer le décalage du seuil de percolation.

Le fil conducteur de mon activité de recherche est l'étude des interactions entre le procédé de mise en œuvre, la microstructure et les propriétés des matériaux. Depuis 2004, je me suis concentré sur l'incorporation de nanoparticules inorganiques dans des matrices polymères et des matériaux composites composés d'une matrice et d'un renfort fibreux. Plusieurs mots-clés reviennent régulièrement tout le long de ce mémoire. Ils sont l'ossature de mon travail : * mesure de la morphologie et de la dispersion effectives des nanoparticules après mélange dans une matrice. Elles sont rarement prises en compte. En général on se contente de la taille des particules élémentaires sans tenir compte des phénomènes d'agrégation et d'agglomération durant la mise en œuvre. Les techniques d'analyse d'image peuvent apporter des informations micro et nano-scopiques pertinentes pour expliquer des comportements macroscopiques jugés au premier abord aberrants ; * modélisation des microstructures. L'augmentation des moyens de calcul permet d'envisager des simulations à grande échelle par dynamique moléculaire mais elles sont encore très couteuses. L'utilisation de la mécanique des milieux continus, à une échelle bien en-deçà des hypothèses fondatrices, est une solution alternative et pertinente du point de vue du ratio qualité/temps de calcul ; * comportement sous sollicitations mécaniques. Le but final de ces nouveaux matériaux est l'allègement des structures. Il est donc essentiel de connaître et d'être capable de prévoir leurs comportements sous sollicitations afin d'alimenter correctement les concepteurs de systèmes et de produits intégrant ces matériaux. Les essais mécaniques à l'échelle macroscopique restent aujourd'hui le meilleur moyen de déterminer ces lois de comportement. A ceci s'ajoute le développement d'essais mécaniques originaux nécessaires pour étudier ces matériaux aux structures et propriétés nouvelles.

Les tapis de nanotubes de carbone verticalement alignés sont des candidats potentiels pour des applications telles que les interconnexions ou les matériaux d'interface thermique. Ce travail de recherche porte sur la synthèse de tapis de nanotubes de carbone alignés selon le procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) d'aérosols liquides, sur l'élaboration de nanocomposites constitués de différentes nuances de matrices époxy infiltrées au sein de ces tapis, ainsi que sur l'étude des propriétés mécaniques et thermiques longitudinales et transverses des tapis secs eux-mêmes et des nanocomposites 1D formés. Les conditions de synthèse permettent notamment de faire varier les caractéristiques des tapis telles que leur épaisseur, leur masse volumique, le diamètre externe moyen des nanotubes de carbone (NTC), l'espace intertube et la teneur volumique en NTC, alors que leur structure cristalline peut être modifiée par le biais d'un traitement thermique à haute température. L'objectif principal de ce travail consiste à démontrer et quantifier l'effet de certaines caractéristiques des tapis de nanotubes de carbone sur les propriétés mécaniques et thermiques des différents types de tapis et matériaux composites obtenus. Les deux méthodes d'imprégnation mises en oeuvre, voie liquide et infusion, conduisent à des tapis de NTC alignés denses avec un alignement des NTC conservé et une répartition homogène des NTC au sein du système époxy. La fraction volumique en NTC s'avère être le paramètre-clé permettant d'exacerber, dans la direction longitudinale aux NTC, les propriétés mécaniques et thermiques des nanocomposites. Par ailleurs, les tapis de NTC et les nanocomposites voient leurs propriétés de conduction thermique longitudinale nettement exacerbées lorsque les NTC présentent une amélioration de leur structure cristalline. L'augmentation significative des performances apportées par les tapis de NTC verticalement alignés au sein de ces matériaux nanocomposites anisotropes par rapport aux matrices organiques non chargées est prometteuse et ouvre des pistes de réflexion visant à répondre aux nouvelles exigences de multifonctionnalité des secteurs de l'aéronautique et de l'aérospatial. / Vertically aligned carbon nanotube carpets are potential candidates for applications such as interconnections or thermal interface materials (TIMs). This research work deals with the synthesis of aligned carbon nanotube carpets from the aerosol assisted chemical vapour deposition (CVD) technique, with the elaboration of nanocomposites made of different grades of epoxy matrix infiltrated within these carpets, as well as the study of both longitudinal and transverse mechanical and thermal properties of dry carpets themselves and 1D-nanocomposites separately. The synthesis conditions notably enable to vary characteristics of the differents carpets such as their thickness, their density, the mean external diameter of the carbon nanotubes (CNT), the intertube space and the CNT volume fraction, whereas their crystalline structure can be modified with a high temperature thermal treatment. The main goal of this work is to prove and quantify the effect of some of the characteristics of the carbon nanotubes carpets on both mechanical and thermal properties of the different kinds of CNT carpets and resulting composite materials. The two impregnation methods used, liquid way and infusion, lead to dense CNT carpets with a preserved alignment of the CNT and an homogeneous distribution of these latest within the epoxy system. The CNT volume content is evidenced as the key-parameter exacerbating the mechanical and thermal properties mainly in the longitudinal direction compared with the alignment axis of the CNTs. Moreover the mechanical and thermal conduction properties of the CNT carpets and the 1D-nanocomposites are clearly increased when the crystalline structure of the CNT is improved. The significant increasing of the properties brought by the vertically aligned CNT within these anisotropic 1D-nanocomposites compared with the only organic matrixes is promising and opens new pathways aiming to meet the latest specifications related to multifunctionnality in fields such as aeronautics and aerospace.

Les phénomènes d'auto-assemblage sont au premier plan de la recherche en sciences des matériaux car ils comblent le vide laissé entre les procédés d'assemblage à l'échelle macroscopique et nanoscopique. L'auto-assemblage est basé sur l'organisation spontanée de composants individuels en motifs et structures. Contrôler l’agencement de la matière peut accroître les propriétés de matériaux en introduisant une certaine anisotropie. Cet agencement, comme de nombreux matériaux naturels le prouvent, peut même sous certaines conditions faire émerger de nouvelles caractéristiques. Au cours de ces trois années, nous avons utilisé l’ « ice templating » (texturation à la glace) pour déclencher l’alignement de plaquettes de dimensions microniques, le but final étant de répliquer la microstructure de la nacre. Cette technique induit la ségrégation des constituants d’une suspension à l’échelle du micron tout en obtenant des échantillons de quelques centimètres cubes. Ce procédé a permis la création de matériaux inorganique avec une microstructure semblable à la nacre, en additionnant trois niveaux de contrôles successifs : l’alignement local des plaquettes, l’alignement à longue distance des cristaux de glaces et enfin le contrôle de l’interface entre ces-mêmes plaquettes. L’utilisation d’une modélisation par éléments discrets nous a permis d’étudier la dynamique de l’auto-assemblage des particules anisotropes. Ce modèle, parce qu’il tient compte de la dynamique du procédé, nous a révélé comment l’organisation de ces particules se produit. La tomographie par rayon X a permis de visualiser les structures finales des échantillons et d’attester de la pertinence du modèle. L’alignement local des plaquettes dans les parois générées par la solidification de la glace peuvent accroître les propriétés fonctionnelles et structurales de composites. Dans ce cadres deux applications ont été étudiées : la conduction thermique dans des composites nitrure de bore hexagonal / silicone et les propriétés mécaniques d’alumine macroporeuses. Une adaptation du procédé a permis d’obtenir l’alignement à longue distance (quelques centimètres) des cristaux de glaces. Différents outils ont été développés pour caractériser la réponse fonctionnelle de ce type de composite en fonction de leurs architectures aux deux échelles considérées (celles des macropores et parois). Enfin, après la mise en place de ces deux niveaux de contrôle sur la structure, l’addition d’une phase vitreuse inorganique et de nanoparticules aux joints de grains des plaquettes a introduit, de façon similaire à la nacre, des interfaces pouvant dévier et arrêter la propagation de fissures. / Self-assembly phenomena are of prime interest in materials science, because they fill the gap between assembly of macrostructure and processing of nanomaterials. Self-assembly is based on the spontaneous organization of individual small constituents into patterns and structures. Controlling the spatial arrangement can possibly improve materials properties by maximizing its response in a given direction. Furthermore, particular types of spatial arrangement, such as found in natural structures, can even induce new properties. During the past three years, we have used ice templating process to trigger the assembly of platelet-shaped particles to replicate the hierarchical structure of nacre. Control over this technique allowed structural customization at different length-scales: local orientation of the platelets, ice crystal long range order, and the control if the interfaces between the platelets. This hierarchical process has set the ground for the creation of a new fully mineral nacre-like alumina. The local platelet self-assembly triggered by ice growth was investigated by Discrete Element Modelling which provided new insight into the dynamic phenomenon responsible for the particles alignment. Synchrotron X-ray tomography was used to validated the model results. The different architecture observed in the final samples are not the result of a percolation threshold, as one could expect, but is instead a consequence of the delicate balance between pushing and engulfment at the solidification front. The local alignment of platelets can be beneficial for the functional and structural characteristics of composites and relevant aspects for two potential applications were investigated: the thermal properties of the hexagonal boron nitride/silicon rubber composites and the mechanical properties of macroporous alumina. Further adaptation of the process allowed for long range ordering of the ice crystals (up to the centimeter scale). Different tools have also been developed in order to characterize the response of composites as a function of the architecture at the level of the macropores and particle organisation. Once those two levels of alignment were achieved, the addition of a glassy phase and nanoparticles to the grain boundaries of the platelets introduces, just like in nacre, interfaces capable of deflect and even stopping crack propagation.