Depuis plusieurs années, on cherche à fonctionnaliser les surfaces de tout type de matériaux que ce soit pour le biomédical, la recherche ou l’industrie des transports afin de conférer de nouvelles propriétés (antibuée, réduction du frottement, dégivrage…). Parmi les techniques de traitement de surface, l’ablation au moyen d’un laser à impulsions ultra-brèves offre la possibilité d’élaborer des textures submicroniques, qui jouent un rôle essentiel dans leur comportement fonctionnel. Toutefois, dans le cas de production en grande série, il est préférable pour des questions de coûts, de reproduire ces textures avec une technique de reproduction d’empreinte.Ce travail porte sur l’étude des différents facteurs impliqués dans la réplication par injection plastique de topographies submicroniques. Il s’agit de comprendre l’influence des paramètres du procédé d’injection, des propriétés du polymère injecté et de la chimie de surface du moule (avec ou sans revêtement) sur la qualité de la pièce injectée.Une première étude a été réalisée sur deux polypropylènes de viscosité différente sous faible taux de cisaillement (grade MFR). Une première étape a consisté à développer une nouvelle méthodologie pour quantifier la qualité de réplication de structures submicroniques périodiques et aléatoires entre la pièce injectée et le moule, avant de mettre en œuvre une série d’injections. Pour des paramètres d’injection identiques, on observe que la qualité de réplication des motifs sur les pièces injectées est différente. Une étude approfondie des caractéristiques structurales et rhéologiques des polymères a été réalisée. Cette différence de réplication n’est pas dues à leur viscosité dans les conditions d’injection en dépit de grades MFR très différents mais de leur mode de relaxation de contraintes pendant la phase de refroidissement [1]. Une deuxième étude s’est concentrée sur l’influence de la chimie de surface des moules lors du remplissage des cavités dans le procédé d’injection. Nous avons principalement étudié le phénomène d’adhésion d’un polymère fondu sur différents substrats revêtus de dépôt à base de nitrures de chrome ou de titane ainsi qu’un dépôt de DLC (Diamond Like Carbon). A partir d’essais de mouillage en température et de mesures d’énergie de surface des polymères fondus, nous avons déterminé le travail d’adhésion du polymères sur les moules revêtus (ou non) aux températures d’injection [2]. A partir de ces résultats nous avons tenté de mener un travail de synthèse en développant une approche statistique basée sur l’analyse de plans d’expériences afin de quantifier l’influence de différents facteurs tant procédés (vitesses d’injection, vide dans l’empreinte, température moule, …) que matériaux (différents polymères, différents revêtements sur le moule). Nous avons montré que les échanges thermiques à l’interface moule-polymère avaient un rôle prépondérant dans la qualité de réplication. Ces échanges dépendent notamment de la nature des revêtements qui conditionne la formation de la gaine solide lors de la microinjection [3].[1] J. Vera, A.-C. Brulez, E. Contraires, M. Larochette, S. Valette, S. Benayoun, Influence of the polypropylene structure on the replication of nanostructures by injection molding, J. Micromech. Microeng. 25 (2015) 115027. doi:10.1088/0960-1317/25/11/115027.[2] J. Vera, E. Contraires, A.-C. Brulez, M. Larochette, S. Valette, S. Benayoun, Wetting of polymer melts on coated and uncoated steel surfaces, Applied Surface Science. 410 (2017) 87–98. doi:10.1016/j.apsusc.2017.02.067.[3] J. Vera, A.-C. Brulez, E. Contraires, M. Larochette, N. Trannoy-Orban, M. Pignon, C. Mauclair, S. Valette, S. Benayoun, Factors influencing micro-injection quality, Journal of Micromechanics and Microengineering. (soumis en juin 2017). / Over the past decades, industrial and academic research groups have been trying to functionalize surfaces, i.e. provide new properties to surfaces, in order to obtain specific functions such as friction reduction, anti-fog or de-icing properties. Among the various existing surface treatment techniques, laser ablation using an ultra-short pulse laser gives the opportunity to generate submicronic textures, which play an essential role in their functional behavior. However, in the case of mass production of textured surfaces, it is preferable to reproduce these textures with a fingerprinting technique for reasons of cost-effectiveness.This work focuses on the study of the various factors involved in the replication of submicronic topographies by plastic injection. Understanding the influence of the parameters of the injection process, the properties of the injected polymer and the surface chemistry of the mold (with or without coating) is key to controlling the quality of the injected part.A first study was carried out on two polypropylenes of different viscosities under low shear rate (MFR grade). A first step was to develop a methodology enabling to quantify the quality of replication of periodic and random submicron structures between the injected part and the mold. For identical injection parameters, it was observed that the quality of replication of the patterns on the injected parts was different when viscosity changed. A study of the structural and rheological characteristics of the polymers was carried out. This difference in replication was not due to their viscosity under the injection conditions in spite of very different MFR grades but to their mode of stress relaxation during the cooling phase [1]. A second study focused on the influence of the surface chemistry of molds when filling the cavities in the injection process. We mainly studied the phenomenon of adhesion of a molten polymer on different chromium nitride, titanium-based and DLC films deposited on mold substrates. From the temperature wetting tests and the surface energy measurements of the molten polymers, we determined the work of adhesion between the polymers and the coated or non-coated molds at injection temperatures [2]. On the basis of these results, we performed a synthesis work by developing a statistical approach based on the analysis of experimental plans in order to quantify the influence of various factors, both process (injection rates, Impression, mold temperature, etc.) and material (different polymers, different coatings on the mold) related. We showed that thermal exchanges at the mold-polymer interface had a dominant role in the quality of replication. In particular, these exchanges depend on the nature of the coatings and regulates the formation of the solid sheath during microinjection [3].[1] J. Vera, A.-C. Brulez, E. Contraires, M. Larochette, S. Valette, S. Benayoun, Influence of the polypropylene structure on the replication of nanostructures by injection molding, J. Micromech. Microeng. 25 (2015) 115027. doi:10.1088/0960-1317/25/11/115027.[2] J. Vera, E. Contraires, A.-C. Brulez, M. Larochette, S. Valette, S. Benayoun, Wetting of polymer melts on coated and uncoated steel surfaces, Applied Surface Science. 410 (2017) 87–98. doi:10.1016/j.apsusc.2017.02.067.[3] J. Vera, A.-C. Brulez, E. Contraires, M. Larochette, N. Trannoy-Orban, M. Pignon, C. Mauclair, S. Valette, S. Benayoun, Factors influencing micro-injection quality, Journal of Micromechanics and Microengineering. (soumis en juin 2017).

Ce travail s'inscrit dans une problématique de mise en œuvre et d'étude d'un revêtement conducteur polymère extrinsèque pour la protection foudre des structures aéronautiques de type composite polymère renforcé fibres de carbone (CFRP). Le revêtement est composé d'une matrice poly(époxy) haute performance bi-composant fluide à température ambiante et de fils submicroniques d'argent à haut facteur de forme (AgNWs) obtenus par un procédé polyol. Une attention particulière a été portée à l'étude de l'influence des AgNWs sur la modification de la cinétique de réticulation du système, sa structure physique et sa mobilité moléculaire. La mesure des niveaux de conductivité volumique et surfacique du revêtement met en avant un seuil de percolation électrique pour un taux volumique en AgNWs inférieur à 1%. Une approche originale permettant la détermination des mécanismes de conduction a été effectuée au moyen des mesures de densités de courant imposées dans le revêtement en fonction du taux de charge en AgNWs et de la température. L'analyse du comportement électrique des échantillons aux valeurs critiques de densités de courant a permis d'appréhender les phénomènes responsables des mécanismes de dégradation. Enfin des essais foudres ont été effectués sur des substrats représentatifs d'une structure aéronautique avec différents types de protection foudre. L'analyse des échantillons par ultrasons après essais foudres a mis en avant l'efficacité du revêtement composite polymère conducteur poly(époxy)/AgNWs développé pour lutter contre le délaminage structurel du CFRP. / This work deals with the processing and the study of an extrinsic conductive polymer coating for the lightning strike protection of the aircraft carbon fibre reinforced polymer (CFRP) structural parts. The coating consist in a low viscosity bi component high performance poly(epoxy) matrix and silver submicronic wires with a high aspect ratio (AgNWs) obtained by a polyol process. The kinetic parameters, the physical structure and the molecular mobility of the matrix had been investigated as a function of the filler content. The surface and bulk conductivities had been measured as a function of filler content. It exhibits a percolation threshold below 1% in volume. The conduction mechanisms had been studied following an uncommon method of current density measurement as a function of the AgNWs content and the temperature. The critical electrical behaviour of each sample had been investigated through the current density method. It has permitted to understand the phenomenon responsible for the composite's degradation. Finally, lightning strike tests on representative configurations had been carried out. The ultrasonic inspections have highlighted the efficiency of the poly(epoxy)/AgNWs coating to avoid the structural delamination of the CFRP.

Les enjeux médicaux et le contexte socio-économique des maladies respiratoires ont une importance majeure à l'échelle mondiale. Parmi les procédures mini-invasives classiques de traitement des maladies respiratoires, l’aérosolthérapie se distingue par sa capacité d’administrer des médicaments pour les pathologies locales, directement dans les voies respiratoires, comme les sinus ou l’arbre trachéaux-bronchique. Dans ce contexte, l’utilisation de nanoparticules à visée pulmonaire est objet de grandes avancées en aérosolthérapie car les aérosols nanométriques ont la capacité de contourner les obstacles dans les voies aériennes supérieures et se déposer dans le poumon profond, renforçant ainsi la performance thérapeutique et diagnostique de ces aérosols. Afin de contribuer à l’évolution des traitements par aérosolthérapie cette thèse s’est orientée vers le développement des nouvelles techniques de génération d’aérosols nanométriques et submicroniques, capables de cibler des régions spécifiques de l'appareil respiratoire d'un patient. La problématique majeure à être confrontée dans ce contexte est donc l’adaptation de la taille des particules de l’aérosol afin de promouvoir un dépôt ciblé chez le patient. Pour cela il est d’abord nécessaire d’avoir une large gamme de tailles d’aérosols, de micronique à nanométrique, puis déterminer la relation entre la taille des particules et leur site de dépôt dans les voies respiratoires. De ce fait, les objectifs principaux de cette thèse sont la caractérisation métrologique et l’évaluation des performances des aérosols nanométriques en termes de cartographie de dépôt. Les résultats obtenus ont démontré qu’il est possible de générer efficacement des aérosols submicroniques et nanométriques soit solides soit liquides. Les aérosols contenant une plus grande quantité de nanoparticules ont montré un dépôt plus important dans les poumons, ce qui contribue au développement des techniques d'administration de médicaments par aérosolthérapies ainsi que pour des études toxicologiques. / Medical and socio-economic issues of respiratory diseases have a major importance in world medicine. Among the conventional minimally invasive procedures in the treatment of respiratory diseases, the aerosoltherapy distinguishes itself by its ability to deliver medication directly into the respiratory tract, such as the sinuses or the tracheal-bronchial tree. In this context, the use of nanoparticles to target the lungs is object of great advances in aerosoltherapy as nanometric aerosols have the ability to overcome obstacles in the upper airways and deposit in the deep lung, increasing the therapeutic and diagnostic performance of these aerosols. In order to contribute with the advance of aerosoltherapy treatments this thesis is directed towards the development of new techniques of generation of nanometric and submicronic aerosols, able to target specific regions of the respiratory system of a patient. The major problem within this context is the adjustment of the aerosol’s particle size in order to promote a targeted deposition in a patient. Therefore, it is firstly necessary to have a wide range of aerosols sizes, from micronic to nanometric, and then it is needed to determine the relationship between particle size and deposition site in the respiratory tract. As a result, the main objectives of this thesis are the metrological characterization of nanometric aerosols and the evaluation of its performance in terms of its deposition in the respiratory tract. The achieved results have demonstrated that is possible to efficiently generate submicronic and nanometric aerosols, either with solid or liquid particles. Aerosols containing a higher amount of nanoparticles showed a larger deposit in the lungs that may contribute to the advancement of aerosoltherapy techniques as well as for toxicological studies.

Les performances de filtration d’un filtre à manche vis-à-vis de particules submicroniques et nanométriques ont été évaluées à l’échelle du laboratoire durant plusieurs cycles de colmatage/décolmatage. La distribution granulométrique des particules (aérosol de combustion) était représentative de celle rencontrée en incinération de nano-déchets en sortie de chambre de combustion à l’échelle du laboratoire. Le filtre à manche opérait en conditions réalistes, représentatives de celles rencontrées dans les lignes de traitement des fumées d’incinération de déchets en termes de température, humidité, vitesse de filtration, présence de réactifs et conditions de décolmatage. Le flux d’air et le filtre à manche étaient chauffés à 150°C, la teneur en eau était de 10-12% (soit 3% d’humidité relative HR), et la vitesse de filtration était fixée à 1,9 cm.s⁻¹. Un mélange de particules de taille submicronique de charbon actif et de bicarbonate de sodium, utilisées dans les lignes de traitement des fumées d’incinération pour l’abattement des dioxines/furanes et des gaz acides, était généré simultanément avec l’aérosol de combustion. L’étude s’est centrée sur les performances de filtration au début de la durée de vie du filtre à manche, avant stabilisation de la perte de charge résiduelle du filtre résultant des précédents cycles de filtration. La perte de charge maximale du filtre était fixée à 150 Pa pour tous les cycles de filtration avant décolmatage par rétro-soufflage à air comprimé. Les performances du filtre à manche ont été évaluées en termes d’évolution de sa perte de charge et de son efficacité de collecte (totale et fractionnelle) au cours des cycles de colmatage/décolmatage. De plus, des études expérimentales et théoriques ont été menées afin d’étudier l’influence de divers paramètres sur les performances de filtration du filtre en configuration manche ou plane, tels que l’humidité de l’air (3% HR versus 0% HR à 150°C), la température (150°C versus 24°C), la vitesse de filtration (1,9 cm.s⁻¹ versus 1,4 cm.s⁻¹) et l’influence de l’injection de réactifs. Les principaux résultats de cette étude sont : (i) importante efficacité de capture des particules du filtre à manche en conditions représentatives des lignes de traitement des fumées d’incinération : efficacité minimale de collecte de 98,5% mesurée pour des particules de taille 74 ± 15 nm (diamètre de mobilité électrique), (ii) influence du gâteau résiduel de particules au début de chaque cycle de filtration sur les performances de traitement, (iii) influence significative de l’humidité de l’air sur la structure du gâteau de particules probablement due à l’augmentation des forces d’adhésion entre les particules en présence d’humidité (150°C – 3% HR soit environ 100 g d’eau par kg d’air sec) ; augmentation plus rapide de la perte de charge du filtre à manche en présence d’humidité (150°C – 3% HR) qu’en conditions d’air sec (150°C – 0% HR). / Filtration performance of a pulse-jet bag filter was evaluated at the laboratory-scale regarding submicronic particles with a nanosized fraction during clogging/unclogging cycles. The particle size distribution was representative to those encountered at the outlet of a nano-waste incineration device at laboratory-scale. The bag filter was operated in conditions as similar as possible to those found in flue gas treatment of waste incineration plants, in terms of temperature, humidity, filtration velocity, injection of sorbent reagents and unclogging conditions. The air flow and the bag filter were heated to 150°C, the water content was maintained in the air flow in the range of 10-12% (3% of relative humidity RH), and filtration velocity throughout the bag filter was fixed at 1.9 cm.s⁻¹. A mixture of submicronic suspended particles of activated carbon and sodium bicarbonate, both used in flue gas treatment systems mainly for the removal of dioxins/furans and acid gases, was generated simultaneously with the aerosol representative of combustion emissions.The study focused on the filtration performance at the beginning of the bag filter’s lifetime filter for the 11 first clogging-unclogging cycles before stabilizing the residual pressure drop reached after pulse-jet unclogging. The maximum pressure drop was set at 150 Pa for all filtration cycles. Once the maximum pressure drop was reached, the filter was unclogged using the pulse-jet system. The performance of the bag filter was evaluated in terms of the evolution of pressure drop, fractional and total particle collection efficiencies, during the clogging/unclogging cycles.Moreover, an experimental and theoretical study was carried out on the influence of different parameters on the filtration performance of bag filter and flat filter, such as influence of humidity (3% RH versus 0% RH at 150°C), temperature (150°C versus 24°C), filtration velocity (1.9 cm.s⁻¹ versus 1.4 cm.s⁻¹) and the influence of the injection of sorbent reagents.The main results of this study are: (i) high collection efficiency of the bag filter in representative conditions of flue gas treatment of waste incineration: minimun particle collection efficiency of 98.5% for particle diameter of 74 ± 15 nm (electrical mobility diameter), (ii) influence of residual particle cake at the beginning of the filtration cycles on the bag filter performance, (iii) significant influence of humidity on the porosity of the particle cake due to the capillary condensation of water between the particles in presence of humidity (150°C - 3% RH i.e. almost 100 g of water per kg of dry air). Faster increase of bag filter pressure drop in presence of humidiy (150°C - 3% RH) as compared to the dry conditions (150°C - 0% RH).