Le marché des alicaments est en pleine évolution et fait l'objet de recherches importantes dans le secteur agroalimentaire. Cette thèse a pour objectif de caractériser expérimentalement un procédé de production de caramels riches en dianhydrides de fructose (DAF) à l'échelle laboratoire en vue d'une extrapolation à l'échelle semi-pilote par CFD (Computational Fluid Dynamics). Ces caramels ont été préparés à partir d'un sirop de fructose en présence d'une résine qui joue le rôle de catalyseur. L'influence du titre en fructose, de la teneur en résine et de la température a été étudiée. Dans un premier temps, une étude a été menée pour établir des lois de vitesse à partir d'un mécanisme de réaction simplifié. Le suivi cinétique permet d'atteindre jusqu'à 50% de DAF selon les conditions opératoires. Dans un second temps, la caractérisation des fluides prenant part lors de la réaction de caramélisation a été étudiée. Un changement de comportement a été observé lors de la réaction. Le fluide newtonien devient non-newtonien (rhéofluidifiant). Dans un troisième temps, le comportement hydrodynamique du système a été analysé par CFD afin de proposer un semi-pilote présentant des résultats similaires à ceux mesurés à l'échelle laboratoire. La proposition issue du calcul numérique basé sur les nombres adimensionnels est un réacteur discontinu de géométrie cylindrique muni d'un agitateur de type semi-circulaire. Le mélangeur statique a été aussi envisagé. Dans ce cas, la vitesse radiale du fluide (0,2 m.s-1) est le facteur d'extrapolation. Enfin, la faible consommation énergétique de ce réacteur continu présente unvéritable atout pour produire des caramels à l'échelle industrielle. / The functional food market (foods with beneficial properties for health) is increasing and is subject of important research in the food industry. The goal of this thesis has been experimental characterization of caramels with high proportion of di-fructose anhydrides (DFA) processes, using laboratory-scale experiments with the aim to design a semi-pilot-scale reactor by CFD (Computational Fluid Dynamics). These caramels were prepared from a solution of fructose syrup with a resin catalyst. The influence of the ratio fructose/water, proportion of resin and temperature were studied. In a first step, a study was carried out to establish the kinetics laws from a simplified reaction mechanism. The results showed a DAF’s yield of up to 50% depending on the operating conditions. In a second step, the fluids involved in caramelization reaction were characterized. A behavior change outcome was observed during the reaction: the Newtonian fluid becomes non-Newtonian (rheofluidifying). In a third step, the hydrodynamic behavior was analyzed by CFD in order to propose a semi-pilot-scale reactor with similar results to laboratory scale. The numerical modeling based on non-dimensional numbers proposes a batch reactor with cylindrical geometry equipped with a stirrer of semi-circular type. The static mixer was also contemplated. In this case, the radial velocity of fluid (0.2 m.s-1) is the scale up factor. Finally, the low energy consumption of this continuous reactor represents a real advantage to produce caramel to industrial scale / El mercado de los alimentos funcionales (alimentos con propiedades benéficas para la salud) está en plena evolución y ha sidoobjeto de investigación en la industria alimentaria. Esta tesis tiene como objetivo caracterizar experimentalmente un proceso aescala de laboratorio para producir caramelos con alto contenido en dianhídridos de fructosa (DAF), con el fin de extrapolar a unaescala semi-piloto utilizando CFD (Computational Fluid Dynamics). Estos caramelos son obtenidos a partir de jarabe de fructosautilizando una resina como catalizador. Se estudió la influencia de la proporción de fructosa, la proporción de resina y de latemperatura. En una primera etapa, se realizó un estudio para establecer las leyes de velocidad a partir de un mecanismo dereacción simplificado. El seguimiento cinético permitió alcanzar un rendimiento de hasta 50% en DAF dependiendo de lascondiciones operatorias. En una segunda etapa, se realizó una caracterización de los fluidos implicados en la reacción decaramelización. Un cambio en el comportamiento del fluido durante la reacción fue observado. El fluido newtoniano se comportacomo fluido no-newtoniano (adelgazante). En una tercera etapa, el comportamiento hidrodinámico del sistema fue analizadomediante CFD, a fin de proponer un reactor semi-piloto que presente resultados similares a los calculados para la escalalaboratorio. La propuesta resultante del modelo matemático basado en los números adimensionales, es un reactor por lotes con unageometría cilíndrica y un agitador de tipo semicircular. Un mezclado estático fue también conceptualizado. En este caso, lavelocidad radial del fluido (0,2 m.s-1) fue el factor de extrapolación del proceso. Por último, el bajo consumo de energía de estereactor continuo representa una verdadera ventaja para la producción de caramelos a nivel industrial.

Le conditionnement, opération unitaire clé du processus industriel de fabrication des produits fromagers, consiste à remplir par un jet de façon homogène des emballages de formes variées par des produits à propriétés rhéologiques complexes tout en assurant des cadences optimisées. L’objectif de cette étude est de prédire le remplissage d’un emballage, à partir de la connaissance de la rhéologie des produits et des paramètres opératoires pour le dimensionnement de nouveaux procédés de conditionnement ou l’optimisation de procédés existants.Nécessaire à la poursuite de l’étude, le comportement rhéologique des produits fromagers dans les domaines de sollicitation du procédé à 80°C a été caractérisé comme rhéofluidifiant, à seuil de contrainte, élastique en-dessous et au-dessus du seuil d’écoulement.L’hydrodynamique des jets et du remplissage lors du conditionnement a été étudiée avec trois types de produits grâce au pilote à l’échelle laboratoire du procédé, dimensionné pour reproduire les conditions opératoires industrielles. Après avoir vérifié la cohérence des résultats obtenus avec le dispositif expérimental avec ceux de la littérature pour un fluide newtonien, l’étude s’est portée sur des fluides modèles viscoplastiques, gels de Carbopol®, et sur des produits fromagers.Cinq régimes d’écoulement ont été observés et caractérisés à partir des évolutions du diamètre de jet et de la vitesse d’atteinte des bords pendant le remplissage et de la hauteur de motte finale du dépôt après le remplissage, paramètre décisif de la qualité du conditionnement. Des diagrammes de fonctionnement adimensionnels d’observation des régimes ont été déterminés à partir des forces en jeu dans le système. Ainsi, le régime d’écoulement peut être prédit par ces diagrammes à partir des propriétés rhéologiques du produit et des paramètres géométriques et opératoires du procédé. / Packaging is a key step of cheese products industrial manufacturing process. It consists in filling containers of various shapes with non-Newtonian products while ensuring optimized rates. The aim of the present work is to describe the influence of cheese rheological properties as well as process parameters onto packaging, thereby contributing towards its optimization.Necessary for the study, the rheological behavior of cheese products on the process stress range at 80°C has been identified as shear-thinning with a yield stress, with elasticity both below and above the yield stress.Jets and filling hydrodynamics during packaging have been studied with three types of products by the means of the laboratory-scale process pilot, which is able to reproduce the industrial process conditions. After checking for consistency between experimental and litterature results for Newtonian products, the study focused on viscoplastic model fluids, Carbopol® hydrogels, and on cheeses.Five flow patterns have been observed and characterized through jet diameter, spread velocity during filling and final mound height after filling, which is a key factor of the packaging quality. Flow patterns dimensionless distributions have been determined from the forces involved in the system. Thus, the flow pattern can be predicted thanks to theses distributions from product rheological properties and geometrical and process parameters.

Triumfetta cordifolia et Bridelia thermifolia sont deux arbustes de la région tropicale d'Afrique dont les gommes extraites des écorces fraîches ou séchées sont confinées aux utilisations traditionnelles, notamment dans la cuisine (propriétés d'épaississement et d'aromatisation des sauces, d'amélioration de la texture des pâtisseries) et dans le procédé de décantation des bières traditionnelles de sorgho (bili-bili). Dans le but d'identifier la nature des gommes responsables de ces propriétés et d'évaluer leur potentiel de valorisation, la composition chimique (protéines, polysaccharides, fibres et minéraux) des écorces a été déterminée. Les gommes ont été extraites, caractérisées sur le plan chimique (composition en monosaccharides et en minéraux) et physique (comportement rhéologiques des extraits, poids moléculaire, viscosité intrinsèque et rayon de giration) et l'effet combiné des facteurs du milieu (température, pH, et concentration saline (NaCl, KCl, CaCl2 et MgCl2)) influençant la viscosité a été analysé selon un plan composite centré. Enfin, un essai d'application de ces gommes dans la préparation des beignets de maïs et de sorgho a été réalisé. Les résultats des analyses chimiques montrent une prédominance des polysaccharides dans les écorces (52 et 55% respectivement pour B. thermifolia et T. cordifolia) et dans les extraits (76 et 80% respectivement pour B. thermifolia et T. cordifolia), avec des teneurs 5 à 8 fois supérieures à celles des protéines. Ce qui permet de considérer que ces polysaccharides sont responsables des propriétés physiques d'épaississement exprimées par les extraits. Ces propriétés ne sont aucunement modifiées par le séchage des écorces. Les polysaccharides des extraits sont constitués principalement de rhamnose (24,51%), de galactose (15,23%), d'acides glucuronique (25,51%) et galacturonique (20,23%). La présence significative d'acides uroniques justifie la persistance des minéraux dans les extraits purifiés. Les masses moléculaires moyennes des polysaccharides sont de 6,14 x106 et 3,58 x106Da respectivement pour T. cordifolia et B. thermifolia. Sur le plan physique, leurs viscosités intrinsèques et leur rayon de giration sont relativement élevés (18,33dl/g et 269,6nm pour T. cordifolia; 17,98dl/g et 217,8nm pour B. thermifolia). La cinétique de séchage des écorces de T. cordifolia et B. thermifolia se déroule en deux périodes cinétiques représentées par deux constantes de séchage k1 et k2 qui augmentent avec la température de séchage. La viscosité des extraits diminue pour des températures de séchage des écorces au-délà de 70°C. Cette baisse de viscosité des extraits serait plus le résultat d'un changement de conformation des polysaccharides que de leur dégradation. L'étude du comportement rhéologique de ces polysaccharides traduit un comportement rhéofluidifiant, viscoélastique, peu thixotrope et avec des contraintes seuil d'écoulement comprises entre 0,2 et 5Pa et entre 0,5 et 1Pa respectivement pour T. cordifolia et B. thermifolia à des concentrations comprises entre 0,52 et 0,82g/l. La température et les cations monovalents (K+ et Na+) ont un effet dépresseur sur la viscosité des gommes tandis que les pHs faiblement acide et alcalin et les cations divalents (Ca2+ et Mg2+) l'augmentent. L'effet combiné de ces facteurs sur la viscosité des gommes se décrit de façon satisfaisante par un modèle de second degré. L'analyse des interactions entre les facteurs de variation (définit dans le modèle) met en évidence, pour chaque facteur, une plage de valeurs pour lesquelles il contribue à l'obtention d'une zone de viscosités optimales et offre sur le plan pratique une gamme de choix des niveaux de variables en fonction du niveau de viscosité voulue. L'incorporation d'extraits de T. cordifolia (3,5 g/l) et B. thermifolia (11 g/l) dans la farine de maïs ou de sorgho, contribue de façon significative à l'amélioration du gonflemen / Triumfetta cordifolia and Bridelia thermifolia are two shrubs of tropical Africa whose gums extracted from fresh or dried barks are confined to traditional uses, particularly in the kitchen (thickening and flavoring properties in sauces and improvement of the texture of bakery ptoducts) and in the decantation process of the sorghum based traditionnal beer (bili-bili). In order to identify the nature of the gums responsible for these properties and assess their potentials for valorization, the chemical composition (proteins, polysaccharides, minerals and fiber) of barks was determined. The gums were extracted, and characterized for their chemical (monosaccharide composition and minerals) and physical (rheological behavior of extracts, molecular weight, intrinsic viscosity and radius of gyration) properties. Then, the combined effects of environmental factors (temperature, pH and salt concentration [NaCl, KCl, CaCl2 and MgCl2]) influencing the viscosity was analyzed using a central composite design. Finally application test of these gums in preparing doughnuts from maize and sorghum flour was carried out. The results of chemical analyzes showed that polysaccharides dominated in the barks (52 and 55% respectively for B.thermifolia and T. cordifolia) and in extracts (76 and 80% respectively for B.thermifolia and T. cordifolia), with levels 5-8 times higher than those of proteins. This allowed to hypothesize that these polysaccharides are responsible for the thickening properties demonstrated by the extracts. These properties are not be affected by the drying of the bark. The polysaccharides of the extracts are mainly composed of rhamnose (24.51%), galactose (15.23%), glucuronic acid (25.51%) and galacturonic acid (20.23%). The significant presence of uronic acids justifies the persistence of minerals in the purified extracts. The molecular weights of polysaccharides are 6.14 x106 and 3.58x106 Da, respectively for T. cordifolia and B. thermifolia. On the physical level, their intrinsic viscosities and their gyration radius are relatively high (18.33 dl/g and 269.6 nm for T. cordifolia; 17.98 dl/g and 217.8 nm for B. thermifolia). The drying kinetics for barks of T. cordifolia and B. thermifolia presents two falling rate periods represented by two kinetic constants k1 and k2, which increase with increasing drying temperature. Viscosity of extracts decreases when barks are dried beyond 70°C. This may be probably the consequence of a conformational change of polysaccharides than the result of their degradation. The study of the rheological behavior of these polysaccharides indicates a shear thinning, viscoelastic and weak thixotropic behavior, with flowing pressures yield point between 0.2 and 5Pa and between 0.5 and 1Pa, respectively for T. cordifolia and B. thermifolia, at concentrations between 0.52 and 0.82 g/l. Temperature and monovalent cations (K+ and Na+) have a depressant effect on viscosity of gums, while weakly acidic and alkaline pH and divalent cations (Ca2+ and Mg2+) increase it. The combined effect of these factors on the viscosity of gums is satisfactorily described by a second degree model. Analysis of interactions between factors of variation shows, for each factor, a range of values for which it contributes to the achievement of a zone of optimal viscosity. This zone offers a practical range for the choice of variable levels, depending on the desired viscosity. The incorporation of extracts of T. cordifolia (3.5 g/l) and B. thermifolia (11 g/l) in the maize or sorghum flour, improves significantly the swelling of the dough. The doughnuts obtained after baking are, from organoleptic point of view, comparable to wheat doughnuts.

Les glissements de terrain argileux affectent de nombreux versants à travers le monde et menacent régulièrement les activités humaines dans les zones urbanisées montagneuses. Ces glissements sont caractérisés par des cinématiques souvent lentes mais ils peuvent brutalement se liquéfier et accélérer de manière imprévisible. Cette transition solide-liquide a été étudiée sur les argiles de la région du Trièves (Alpes Françaises) à l'aide d'études rhéologiques. Elles ont montré le caractère de fluide à seuil thixotrope avec une bifurcation de viscosité importante lors de la fluidification pouvant expliquer le caractère catastrophique de l'accélération observée sur le terrain. Cette perte de rigidité du matériau peut être observée par une chute de la vitesse des ondes de cisaillement (Vs). Des études réalisées en parallèle à la fois sur un modèle analogique de plan incliné et sur le terrain (glissement de Pont-Bourquin, Suisse) ont permis d'observer une chute de Vs précédent à cette fluidification montrant ainsi que Vs pourrait être un bon proxy pour la surveillance des instabilités de terrain argileux. / Landslides affect many clay slopes in the world and regularly threaten people in urban areas mountainous. These landslides are characterized by a slow velocity but they may suddenly liquefy and accelerate unexpectedly. The solid-liquid transition on the clay has been studied of Trièves region (French Alps) using rheological experiments. They have shown the yield stress thixotropic behavior with a viscosity bifurcation which can explain the catastrophic fluidization observed in the field. This loss of material stiffness can be followed by a drop in the shear wave velocity (Vs). Inclined plane test and field experiments (Pont-Bourquin landslides in Switzerland) have both shown a precursor drop of Vs indicating that it could be a good proxy for monitoring unstable clay slope.

Le sang est un fluide complexe mis en écoulement par la pompe très peu puissante qu'est le cœur (environ 1 W), dans un réseau branché de plusieurs milliers de kilomètres de vaisseaux. Pour que cela soit réalisable, il se peut que les propriétés mécaniques du sang contribuent à l'entretien de l'écoulement. Malgré le nombre important d'études sur la rhéologie du sang, sa viscoélasticité n'a jamais été caractérisée en cisaillement simple. Le rôle physiologique du caillot est, lui, d'éviter un épanchement excessif de sang en présence d'une brèche vasculaire. Une de ses fonctions principales est donc de résister aux contraintes générées par l'écoulement sanguin, c'est-à-dire d'avoir une résistance mécanique appropriée. Que ce soit pour la caractérisation mécanique du sang ou du caillot, le principal verrou est l'absence de méthode de mesure adaptée à un matériau peu consistant, et dont les propriétés mécaniques sont en évolution rapide. Il est donc nécessaire de produire une méthode de mesure adéquate, couplée à un système de mesure assez sensible. Dans ce travail, nous présentons la méthode de rhéométrie que nous avons développée dans ce but, baptisée Optimal Fourier Rheometry (OFR). Cette technique a été validée avec succès sur différents matériaux modèles de plus en plus complexes : une huile newtonienne, une gomme viscoélastique (PDMS), une suspension de micelles vermiformes (CpCl Nasal) et enfin un alginate dentaire tout au long de sa gélification. Nous montrons ainsi que l'OFR est une technique de mesure fonctionnelle, fiable et optimale temporellement. Elle permet le suivi de grandeurs mécaniques dont le temps caractéristique de mutation est très inférieur à la minute. En raison de la sédimentation des globules rouges, le sang est un fluide évoluant dans le temps. Par conséquent l'OFR est bien adaptée pour la mesure de ses propriétés viscoélastiques. Pour nous affranchir de la variabilité très importante du sang de témoins, nous avons balayé de façon systématique la concentration en les composants sanguins les plus abondants sur des suspensions de globules rouges lavés. De façon a priori surprenante, nous montrons qu'en présence de fibrinogène, le sang présente une élasticité importante, du même ordre de grandeur, voire plus grande que sa viscosité. Cette élasticité augmente avec la concentration en fibrinogène et l'hématocrite et provient du réseau percolé de globules rouges agrégés de dimension fractale 2.08 qui existe dans la suspension lorsqu'elle est peu cisaillée. L'OFR a également été appliquée au suivi de la coagulation activée par voie intrinsèque et extrinsèque. Cela a permis de montrer que le procédé d'activation n'avait d'effet que sur la cinétique de la réaction, mais que cela ne changeait pas les étapes mécaniques observées. L'OFR permet grâce à sa résolution fréquentielle élevée et son temps de mesure minimal, d'affirmer que le processus de coagulation du sang n'est pas une transition sol-gel. / Blood is a complex fluid set into flow by the heart, which is a very low power pump (approximately 1 W), in a connected network consisting of several thousand kilometers of vessels. To do so, it seems reasonable that the mechanical properties of blood contribute to the maintenance of the flow. In spite of the important number of studies on blood rheology, the viscoelasticity of blood has never been characterized in simple shear. The physiological role of the blood clot is to avoid an excessive effusion of blood in the presence of a vascular breach. Thus, it has to resist to the stress induced by the blood flow. So, one of its essential functions is this mechanical resistance. Whether it is for the mechanical characterization of the blood or the clot, the main obstacle is the absence of viscoelasticity measurement techniques adapted to a low viscosity material evolving rapidly in time. So, it is necessary to provide an adapted measurement method, coupled with a sensitive enough measurement. In this work, we present the new rheometry method we developed, named Optimal Fourier Rheometry (OFR) as it is optimal both in duration and signal to noise ratio This method was successfully validated on materials of increasing complexity: a Newtonian oil, a viscoelastic gum (PDMS), a suspension of wormlike micelles (CpCl Nasal) and a dental alginate during its gelation. Because of the sedimentation of red blood cells, the mechanical properties of blood are evolving in time. Consequently the use of the OFR is well suited for the measurement of its viscoelastic properties. A systematic scanning of the concentrations in the most abundant blood components added to washed blood allowed to highlight the most important parameters. Our results show that blood has a surprisingly large elasticity, which is of the same order of magnitude as the viscosity of the material. This elasticity increases with fibrinogen concentration and hematocrit. When these two parameters are in the physiological range, a percolated network of aggregated red blood cells exists in the suspension of fractal dimension 2.08. The, OFR was applied to the monitoring of blood clot formation. The activation by intrinsic and extrinsic pathway was used on whole blood. It showed that the process of activation affects only the kinetics of the reaction, but does not change the observed mechanical s. Due to its high frequency resolution and minimal measurement time, OFR shows that coagulation is not a gelation process.

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.

Les pansements dits " hydrocolloïdes " sont très couramment utilisés dans le traitement des plaies à forte exsudation. Ils permettent de réguler l'hygrométrie au sein d'une plaie tout en évitant une accumulation d'eau susceptible d'entrainer la prolifération de bactéries entre le pansement et la peau. Deux propriétés antagonistes apparaissent alors nécessaires : une fonction d'adhésion pour assurer le maintien du pansement sur la peau, et de fortes propriétés d'absorption et de perméabilité à l'eau pour réguler l'humidité et favoriser la cicatrisation de la plaie. Pour satisfaire ces deux fonctions, des systèmes hétérogènes sont utilisés : l’adhésion est apportée par une matrice adhésive hydrophobe, composée d’un élastomère modifié par un plastifiant et des résines tackifiantes, la régulation de l’humidité est assurée par de fines particules hydrophiles sèches de carboxymethylcellulose (CMC), dispersées dans la matrice adhésive. Un enjeu majeur de ces pansements est le maintien de l’adhésion cutanée dans le temps. Or une perte de l’adhésion est souvent observée après un long contact avec l’eau. Ces travaux de thèse visent à mieux comprendre l’origine de cette perte d’adhésion, à travers l’étude des propriétés mécaniques de la matrice hydrophobe, de ses interactions avec les particules hydrophiles et des mécanismes de transport d’eau. La substitution de la CMC par des particules d’hydrogels synthétisés au laboratoire a permis l’étude plus systématique de l’effet des propriétés physico-chimiques de la phase hydrophile sur l’absorption, la perméabilité et l’adhésion des pansements hydrocolloïdes ainsi mis en œuvre. / Hydrocolloid wound dressings are commonly used for the care of highly exuding wounds. They allow to control the wound moisture, while avoiding the water accumulation which could lead to bacterial proliferation between the dressing and the skin. Two antagonist properties appear to be required: an adhesive function to maintain the dressing on the skin, and high water absorption and permeability to control the humidity level and promote healing. To achieve both properties, heterogeneous systems are used : the adhesion is ensured by an hydrophobic adhesive matrix, made of an elastomer modified by plasticizers and tackifying resins, the regulation of the humidity relies on fine dry hydrophilic particles, made of carboxymethylcellulose (CMC), dispersed within the matrix. A major issue of these wound dressings is to maintain a long term skin adhesion. However a loss of adhesion is often observed after a long contact with water. This PhD work aims at a better understanding the origin of this loss of adhesion through the study of the hydrophobic matrix mechanical properties, its interactions with the hydrophilic particles and water transport. Replacing the CMC by tailor-made hydrogel particles allowed to a systematic study of the impact of the physico-chemical properties of the hydrophilic phase on the absorption, the permeability and the adhesion of the hydrocolloid-based adhesives.

Le graphène est une nanoparticule bidimensionnelle d'épaisseur atomique présentant des propriétés uniques, qu'elles soient mécaniques, électriques ou thermiques. Ceci ajouté à une faible densité et une très grande surface spécifique, fait que l'ajout de graphène et de nanoparticules dérivées (oxyde de graphène, graphite exofilé) pour renforcer des matrices polymères est devenu un sujet d'études d'intérêt majeur dans le domaine des nanocomposites. Cependant, l'influence de la variation de la viscoélasticité de la matrice due à l'ajout de graphène ainsi que la mécanique interfaciale reste aujourd'hui peu étudiée. De plus, il n'existe aujourd'hui pas de procédé permettant d'obtenir des nanocomposites présentant du graphène dans le plan orienté dans une matrice polymère afin de réaliser un renforcement à deux dimensions. Ce travail de thèse est composé principalement de trois projets portant sur ces problèmes.La première partie de ce travail se concentre sur la façon d'utiliser l'approche micromécanique viscoélastiques pour soustraire l'effet de changement de Tg pour corriger la rigidité apparente de nanocomposites d'oxyde de graphène. On a ainsi trouvé que l'oxyde de graphène rigidifie « indirectement » les matrices polymères en augmentant de manière significative la Tg de la matrice, ce qui modifie largement la viscoélasticité du matériau. Le mécanisme de renforcement est ainsi largement causé par cet effet plutôt que du fait de la rigidité de l'oxyde de graphène lui-même.La deuxième partie se concentre sur l'utilisation d'un procédé de mise en œuvre innovant, la coextrusion multinanocouches, ou assemblage forcé, pour créer des films nanocomposites constitués de couches alternées de polymères et de polymères chargés de nanoplaquettes de graphène orientées. Cette orientation est induite par le nanoconfinement imposé par le procédé. La morphologie des couches (35 ~ 40 nm d'épaisseur) contenant du graphène orienté a été étudiée par microscopie électronique. Les propriétés mécaniques des matériaux ont été déterminées et le renforcement bidimensionnel a pu être corrélé à une orientation (imparfaite) des nanoplaquettes de graphène dans les films stratifiés.La troisième partie se concentre sur l'utilisation de la méthode de l'inflation de nano-bulle pour obtenir les réponses mécaniques d'un « nano-sandwich » (nanofilm de polymère / feuille de graphène / nanofilm de polymère). Aux petites déformations, des renforts mécaniques significatifs ont été observées pour le système PEMA / graphène, tant à l'état caoutchouteux qu'à l'état vitreux. Les mécanismes d'interface entre le graphène et les polymères ont été étudiés et un glissement interfacial a été observé. / Graphene is an atomically thick, two-dimensional nano-sheet with advanced mechanical, electrical, and thermal properties. As a result, the addition of graphene and graphene derivative nanoparticles to polymer matrices has been a major strategy towards development of new materials in the field of composites. However, from a fundamental point of view, the origins of the advanced properties of graphene-based nanocomposites have been little investigated. In particular, changes in the viscoelastic properties of the polymer matrix due to specific interactions between the polymer and the graphene reinforcing elements can cause higher than expected apparent reinforcement. In addition, there is little work on characterizing the strength of the interface between the graphene used for reinforcement and the polymer matrixes. From a more engineering point of view, the design of polymer nanocomposites made of in-plane oriented graphene to create a two-dimensionally reinforced structure has also not been previously undertaken. The present dissertation is composed of three major works focusing on these problems.The first part focuses on how to use a viscoelastic micromechanics approach to account for the effects of glass transition temperature Tg changes to correct the apparent stiffening of graphene oxide nanocomposites. It is found that graphene oxide stiffens the polymer matrices by increasing the Tg, which significantly modifies their thermo-viscoelasticity. This leads to apparent reinforcements that are not due to the stiffness of the graphene oxide itself, and largely explains anomalously high moduli reported in the literature for such graphene oxide/polymer matrix nanocomposites.The second part focuses on a forced assembly multi-layer co-extrusion method to create films made of alternating layers of neat polymer / oriented graphene nanoplatelet filled polymer. The morphology of the layers (35 ~ 40 nm thick) containing oriented graphene was established by electron microscopy. Mechanical properties of the materials were determined and the two-dimensional stiffening could be related to the oriented graphene nanoplatelets in the layered films. Taking into account the change of Tg, more than 100% intrinsic reinforcement was estimated for 2 wt % of graphene in the nanolayers. The results were analyzed and interpreted via an analytical model based on Mori-Tanaka analysis.The third part focuses on extending a nano-bubble inflation method to the investigation of a novel graphene nano-sandwich with the purpose of investigation of the graphene / polymer interface. At small strains, significant mechanical reinforcement was observed for both graphene-reinforced rubbery and glassy PEMA layers. The interfacial mechanics between graphene and polymer layers was investigated and a “yield-like” interfacial slip was observed in the mechanical response of the nano-sandwich structures.

Les métaux à l’état semi-solide présentent un comportement rhéofluidifiant caractérisé par une forte chute de la viscosité avec la vitesse de déformation facilitant le remplissage des matrices lors de la mise en forme. L’exploitation de ce comportement donne lieu à un procédé de mise en forme appelé « thixoforgeage ». L’état semi-solide est obtenu en refusion partielle à partir de l’état solide et la fraction de solide est supérieure à 0.8. Les plus hautes températures mises en jeu dans le cas des matériaux à haut point de fusion comme les aciers rendent la maîtrise du procédé plus complexe. Cependant, les travaux antérieurs sur le thixoforgeage d’aciers ont montré le potentiel de ce procédé pour réduire la consommation en matière première et en énergie. La thèse s’inscrit dans le cadre du projet TACA «Thixoforgeage d’Aciers pour la fabrication de Composants Automobiles» piloté par l’IRT-M2P. Il ambitionne le développement industriel du thixoforgeage des aciers pour la fabrication de pièces automobiles. La maîtrise et le développement du thixoforgeage nécessite une bonne connaissance du comportement mécanique du matériau à l’état semi-solide et le développement d’outils de simulation numérique adaptés. Ce travail de thèse a pour objectifs de (i) caractériser expérimentalement le comportement thermomécanique des aciers à l’état semi-solide, (ii) développer un modèle de comportement destiné à être implanté dans le logiciel FORGE® pour simuler le thixoforgeage. Une attention particulière a été portée sur le comportement en traction pour caractériser l’intervalle de température dans lequel le matériau devient très sensible à la fissuration à chaud. Des essais en traction menés à différentes températures ont permis de déterminer la température à partir de laquelle la résistance et la ductilité du matériau chutent drastiquement. Les mécanismes conduisant à ces chutes ont été identifiés et sont conformes à ceux décrits dans la littérature. Un modèle basé sur une approche d’homogénéisation qui prend en compte explicitement le rôle mécanique des phases liquide et solide a été développé. Ce modèle repose sur une approche viscoplastique établie antérieurement puis enrichie afin (i) d’intégrer le comportement élastique du squelette solide saturé en liquide et (ii) distinguer les évolutions de distribution spatiale des phases liquide et solide selon le trajet de chargement en traction ou en compression. Il permet de décrire avec succès, pour la première fois, les trois stades de la réponse mécanique en traction (augmentation, stabilisation puis chute de la contrainte en fonction du déplacement). Le modèle a ensuite été implanté dans le code éléments finis FORGE®. Les simulations des essais de traction GLEBBLE ont permis d’identifier les paramètres du modèle. Des comparaisons des résultats expérimentaux et numériques ont permis de reproduire des phénomènes de localisation de la déformation réelle. Après la validation sur des essais de traction, des simulations de procédés de thixoforgeage industriel, tels que le forgeage de U, ont été étudiées et comparées aux résultats expérimentaux réalisés sur la plateforme Vulcain de l'ENSAM de Metz. Un critère permettant de définir des zones sensibles à la fissuration à chaud a été proposé. La comparaison avec des observations expérimentales a montré que ce critère constitue une première approche encourageante pour prédire les zones de fragilité de la pièce en thixoforgeage. / Semi-solid metals and alloys exhibit a shear thinning behavior characterized by a sharp drop in viscosity with increasing strain rate. This property promotes a smooth die filling during forming. To exploit this advantage, several semi-solid forming process have been developed. Among these processes, we find the thixoforging when the semi-solid state is obtained by a partial remelting from solid state. The solid fraction is above 0.8. Thixoforging of high melting point alloys such as steels is particularly challenging because of about 1400°C temperatures involved. However, previous works showed that this process reveals high potential to reduce material as well as energy consumption. The present PhD thesis is part of a French research project named TACA «Thixoforging of steels for fabrication of automative parts» leaded by IRT-M2P. It aims at industrial development of steel thixoforging for manufacturing automotive components. The mastery and the development of steel thixoforging require a good knowledge of the mechanical behavior of semi-solid steels and appropriate numerical tools to simulate the process. The PhD work aims to (1) characterize the thermomechanical behavior of semi-solid steels and (2) develop constitutive equations that have to be implemented into the commercial code FORGE® to simulate thixoforging. A special attention was paid to the tensile behavior to investigate the temperature range in which the material is very sensitive to hot cracking. Tensile tests provided the temperature from which the material lost its tensile strength and its ductility. Mechanisms leading to the drop of these two properties were identified and were found to be consistent with mechanisms described in literature. A model based on homogenization approach, namely taking explicitly into account the mechanical role of the liquid and solid phases was developed. This model is based on a viscoplastic approach previously developed that was enhanced to (1) include the elastic response of the solid skeleton saturated with liquid and to (2) distinguish the evolution of the spatial liquid/solid distribution according to the tensile or compressive loading path. It successfully describes the three stages of the response in tension: increase, stabilization and decrease of the stress with increasing displacement. The model was implemented in the FORGE® finite element code. The experimental tensile tests were simulated to provide identification of the model parameters. The simulation results showed that strong deformation localization zones were predicted consistently with experiments. Simulations of thixoforging industrial processes such as forging U were studied and compared with experimental results achieved on the Vulcan platform (ENSAM Metz). In addition, a criterion determining the zones without any tensile strength and so sensitive to hot cracking was proposed. Comparison with experimental observations showed that this criterion is an encouraging first approach to predict the brittle zones of thixoforging parts.

L’emploi d’adjuvants fluidifiants est courant pour tout béton. Ceci permet d’améliorer les propriétés rhéologiques à l’état frais: la fluidité initiale et son maintien pendant les 2-3 premières heures de la vie d’un béton. La compréhension de ce mécanisme d’action est encore partielle pour les PCP (copolymères greffés). Ici, le but a été de tester l’hypothèse selon laquelle l’évolution de la quantité de PCP adsorbé par unité de surface minérale instantanée explique quantitativement l’évolution temporelle de la fluidité au cours de la période d’ouvrabilité.Sur un système inerte (calcite), nous avons confirmé que la fluidité est bien gouvernée par l’adsorption: à même adsorption surfacique, la fluidité de la pâte est quasiment identique quelle que soit la structure du PCP. Par ailleurs sur un système inerte (calcite ou ettringite), la modification de la fonction ionique du PCP fournit une solution pour améliorer la résistance de l’adsorption à la variation de la concentration en sulfates.Deux techniques ont été utilisées pour mesurer l’aire interfaciale au cours de l’hydratation d’un système réactif modèle (aluminate tricalcique, gypse, hémihydrate et calcite): l’adsorption de N2 et la relaxométrie du proton de l’eau. L’adsorption du PCP par unité de surface réelle a été calculée et corrélée à la fluidité de la pâte. La relation simple fluidité/adsorption n’est plus vérifiée ici. La présence de PCP a un impact sur l’hydratation du système et l’augmentation de l’étendue de la surface minérale associée. Les PCP vont augmenter la surface spécifique de l’ettringite qui précipite en modifiant sa morphologie. Cet effet est plus marqué quand la densité de greffage du PCP diminue. / Nowadays the use of superplasticizers admixtures becomes unavoidable for concrete. It allows enhancing the rheological properties at the fresh state: the initial flow and slump retention during the 2-3 first hours of the life of a concrete. The understanding of this mechanism is still partly elucidated for PCE (grafted copolymers). The aim of this thesis was to challenge the assumption of the evolution of the adsorbed amount of PCE per instantaneous mineral surface unit as origin of the fluidity temporal evolution during the workability period.On an inert system (calcite), we confirmed that the fluidity is mainly governed by the adsorption level. Thus for a same surface adsorption density, the fluidity of the paste is roughly similar whatever the structure of the PCE. On an inert system also (calcite or ettringite), the modification of the anionic function provides a technological way to improve the resistance of the adsorption against the variation of the sulfate ions concentration.The surface area of a reactive model system (tricalcium aluminate, gypsum, hemihydrate and calcite) has been measured by two techniques during the workability period: the N2 adsorption (BET) and the water proton relaxometry (RMN). The PCE adsorption per surface unit has been calculated and analysed in link with the fluidity of the paste. In that case, the simple relation, shown on the inert system, is not verified because the presence of PCE has also an impact on the hydration and on the extent of the surface area. Especially PCE lead to increase the surface by changing the morphology of ettringite. The specific surface area of ettringite increases when the grafting density of PCE decreases.