204 - Matériaux

Les cellules photovoltaïques électrochimiques (CPE) sont basées sur la jonction entre un semi-conducteur et un milieu électrolytique contenant un couple redox. Le présent travail vise à étudier les propriétés d’une nouvelle électrode composite CuInS₂/graphène, pour application dans une CPE. Cette électrode est formée par déposition, sur un substrat de verre conducteur, d’un volume d’une solution d’oxyde de graphène contenant des particules de CuInS₂ en suspension, préparées par synthèse colloïdale. Les films obtenus sont recuits à 400ºC pendant 3 h sous vide. Les analyses par diffraction des rayons X et par diffraction électronique démontrent que le CuInS₂croît dans la phase tétragonale-chalcopyrite tandis que le graphène présente une structure hexagonale. Les images de microscopie électronique à transmission et à balayage montrent des particules de diamètre ˂ 10 nm, dispersées sur les feuilles de graphène (Fig.1). La voltampérométrie cyclique montre que le couple redox 5-mercapto-1-méthyltétrazolate/disulfure di-5-(1-méthyltétrazole) (T^-/T₂) se comporte de manière irréversible à une électrode de CuInS₂/poly(fluorure de vinylidène). L'ajout de graphène à la composition du film réduit considérablement cette irréversibilité et l’augmentation de sa concentration, de 0,2 à 12 mg/mL, en intensifie les courants. Ce résultat s’explique par les excellentes propriétés électroniques du graphène qui améliorent le transfert d’électrons entre les particules de CuInS₂.

Dans cette étude, nous examinons l’effet de champs magnétiques excitant des nanoparticules magnétiques d’oxyde de fer (NPM) dans une optique d’augmentation du phénomène de diffusion. Les suspensions magnétiques colloïdales, aqueuses et diluées, étaient composées de NPM de 14-nm dispersées dans une matrice aqueuse. Des expériences ont été menées à l’aide d’un tube capillaire à dispersion de Taylor (laminaire) soumis à différents champs magnétiques.

Les résultats expérimentaux démontrent que le transfert de masse augmente de manière significative en présences de NPM excitées. Des études systématiques des paramètres d’opération révèlent que l’ampleur de l’intensification dépend de la fraction volumique des NPM ainsi que de la force, de la fréquence et du type du champ magnétique.

Bien que la concentration des NPM soit sous le niveau nécessaire pour causer des effets ferromagnétiques macroscopiques, les NPM excitées peuvent être responsables d’une intensification de la diffusion à l’échelle moléculaire. Ce phénomène est dû au fait que la majorité des NPM, en raison de leur mono-domaine et de leur moment magnétique permanent doivent tourner dans le liquide afin de rattraper la rotation du champ magnétique. Ce phénomène pourrait être bénéfique lorsqu’une augmentation du transfert de masse est nécessaire dans des régions submicronique comme par exemple dans le cas des couches limites visqueuses ou des suspensions statiques.

La conservation de la diversité végétale est un enjeu crucial des prochaines années en raison des changements climatiques appréhendés. Une des façons de conserver cette diversité est sous forme de semences. Or, pour assurer le maintien du potentiel de germination des semences, il faut que le contenant limite les échanges entre l’ambiance de conservation et les semences. Le présent travail qui rentre dans le cadre d’un projet de recherche entre le CTMP et le MRNF, a pour but de développer une nouvelle formulation pour un contenant permettant une conservation sécuritaire des semences.

Une étude des systèmes ternairesPEHD/PA/Argile a été réalisée en mettant en jeu différents types d’argiles organophiles. Les mélanges ont été préparés à l’état fondu en utilisant une extrudeuse double vis. Un compatibilisant à base de PEHD fonctionnalisé par de l’anhydride maléique (PEHD-g-AM) a été utilisé en vue d’améliorer la dispersion de l’argile dans le PEHD.

Plusieurs méthodes de caractérisation XRD, TEM , DMA et rhéologie en régime dynamique ont été utilisées pour mettre en évidence les changements morphologiques et physiques des matériaux fabriqués. Les résultats obtenus par DMA combinés avec les changements morphologiques constatés par XRD et TEM ont permis de faire des corrélations avec les essais de perméabilité. Des améliorations tant au niveau des propriétés mécaniques (rigidité) qu’au niveau de l’imperméabilité ont été constatées.

L’un des problèmes majeurs du procédé de moulage par microinjection est en particulier de comprendre les conséquences des conditions du procédé (thermomécaniques) sur les propriétés mécaniques de la pièce, via les modifications de microstructures et les éventuels défauts qui peuvent être engendrés. Cependant la maitrise de la relation microstructure et propriétés mécaniques via les conditions du procédé est une étape cruciale due à la complexité des phénomènes multiphysiques qui surgissent durant et après le cycle de microinjection. Dans cette étude nous avons décrit la morphologie d’une pièce en Polyoxymethylene de géométrie rectangulaire de type échelle dont les épaisseurs sont les suivantes (0.8, 0.45, 0.2 mm), fabriquée par une machine de micromoulage bi-injection de type Battenfeld Microsystem 50. Une analyse de la microstructure à l’échelle locale via des mesures par microscopie optique en mode transmission est donc réalisée. Les observations révèlent un fort gradient de microstructures à travers l’épaisseur de la pièce dans la direction d’écoulement. La réduction graduelle de l’épaisseur de la pièce, a pour conséquence une hausse de champs de cisaillement et du gradient thermique dans le sens d’injection. Ces changements donneront lieu à des structures morphologiques diversifiées : nous observons une structure ``shish kebab``, les couches cœur-peau, ainsi que la présence de morphologies sans cœur (core-free) ou sans la couche peau vers l’extrémité de la pièce.

La nanocellulose cristalline est un matériau naturel extrait de la fibre de bois. On l’obtient par l’hydrolyse acide de la cellulose naturelle. À partir de ces cristaux, il est possible de préparer des films colorés qui montrent des propriétés iridescentes. Ces propriétés optiques intéressantes sont dues à l’agencement spécifique des nanocristaux de cellulose en phase cholestérique. Pour obtenir une telle phase liquide cristalline, il faut créer une suspension aqueuse de ces nanocristaux. Pour ce faire, la surface du nanomatériau doit être modifiée afin de posséder des charges négatives. Ceci augmente la répulsion entre les particules ce qui stabilise la suspension. En évaporant l’eau, on obtient la phase cholestérique. Il est possible de modifier le pas de vis de cette phase cholestérique par l’ajout de chlorure de sodium ou autres sels dans la suspension. Ceci entraine donc un changement des propriétés optiques des films issus de ce nanomatériau : la longueur d’onde de la réflexion spéculaire diminue vers le bleu.

Pour mieux comprendre ce phénomène, une approche théorique est utilisée. Les interactions entre le sodium, l’eau et les groupements chargés négativement à la surface de la cellulose (carboxylate et sulfate) sont étudiées par méthodes de calculs de haut niveau (Méthodes MP2 et CCSD-T). Ces calculs permettent de mieux cerner le mécanisme d’auto assemblage de la nanocellulose cristalline et ainsi, comprendre comment peut-on mieux contrôler ses propriétés optiques.

De nos jours, une grande sensibilisation à l’environnement à contribué à augmenter l’usage des fibres naturelles comme renfort dans les matériaux composites. En plus d’être biodégradables et écologiques, les composites à fibres naturelles (CFN) présentent des propriétés mécaniques susceptibles de répondre aux exigences industrielles et donc de concurrencer des matériaux non dégradables dans plusieurs domaines d’application. Dans divers domaines, un des problèmes majeurs pour le développement des CFN est l’effet de l’environnement, en particulier l’humidité et la chaleur qui causent la dégradation des pièces et les rendent inutilisables dans ces conditions. De plus, les processus de vieillissement et d’endommagement sont complexes par la nature hétérogène des matériaux composites. Dans le but d’exploiter au maximum ces matériaux, plusieurs travaux tentent d’expliquer le phénomène de diffusion d’humidité et d’évaluer son effet ainsi que celui de la température sur la perte des performances mécaniques des CFN. Ce présent travail a comme objectif d’étudier expérimentalement et numériquement l’influence du vieillissement hydrique sur le comportement mécanique d’un bio-composite à fibre courte Chanvre/Polypropylène. Le comportement mécanique du composite non vieilli est évalué ainsi que l’effet de l’humidité sur ses propriétés mécaniques. Les résultats expérimentaux de diffusion sont comparés à une modélisation numérique par éléments finis.

Les moules s’ancrent aux récifs côtiers en produisant des fibres appelées byssus. Bien que ces dernières soient extensibles et rigides, leurs propriétés uniques ne sont pas exploitées. En effet, le byssus est traité comme un déchet par l’industrie. Les travaux réalisés au cours de cette étude ont rendu possible pour la première fois la valorisation de ces fibres naturelles: des films à base de protéines extraites du byssus de moules Mytilus edulis ont été préparés. Diverses approches ont ensuite été employées dans le but d’optimiser leurs propriétés physico-chimiques et mécaniques: 1) la coordination d’ions métalliques (Na⁺, Ca²⁺, Fe³⁺); 2) des traitements utilisés pour rendre insoluble la fibroïne de soie (méthanol, acide acétique, vapeurs d’eau); et 3) des techniques connues pour induire la réticulation du collagène (déshydratation thermique, irradiation aux rayons UVC). Divers tests de caractérisation ont permis de comparer leur efficacité. Les résultats des mesures de traction, de gonflement, de solubilité et de spectres FT-IR suggèrent que certains traitements permettent la réticulation des films. De plus, des tests effectués ont prouvé qu’ils n’étaient pas cytotoxiques. Ces films pourront ainsi constituer un support adéquat pour la culture cellulaire.

La production de nanoparticules est un procédé très coûteux, en raison des méthodes de pointes utilisées pour leur synthèse (plasma thermique, chimie colloïdale, etc.) ainsi que pour les divers traitements en surface qui leur sont appliqués. Alors que pour certaines applications avancées (ex.: en optique), ce coût élevé peut être justifié, l'applicabilité des nanoparticules sur une grande échelle est néanmoins limitée. Par exemple, dans le domaine des nanofluides (suspensions de nanoparticules ayant pour but l'amélioration des propriétés caloportrices), l'amélioration incrémentale de la conductivité thermique ne balance pas le coût des particules. Il est donc de mise d'identifier des sources de nanoparticules à faible coût. Une solution est l'extraction de nanoparticules à composition et à taille variées depuis les cendres issues de l'incinération ou de la gazéification de déchets. L'extraction proposée se fera en pré-traitant les cendres au moyen de dépôt chimique photo-induit (photo-CVD) et en séparant les particules les plus fines des plus lourdes au moyen de la sédimentation. Le traitement photo-CVD permet la fonctionnalisation de nanoparticules à plus faible coût, permettant de prévenir les phénomènes d'agglomération sans les inconvénients liés à d'autres techniques (produits secondaires pour les méthodes par chimie des solutions, requis de basse pression pour les méthodes au plasma froid).

Les élastomères sont des polymères capables de supporter de grandes déformations réversibles. Ils sont très utilisés dans notre quotidien (pneus, brosse à dent, gants en plastiques...). Ils sont habituellement obtenus par réticulation chimique de chaines de polymères flexibles. Malheureusement ces matériaux sont très difficilement remis en forme à cause des liaisons covalentes de réticulation. Ce sont des polymères thermodurcissables, insolubles et ne peuvent être fondus pour une nouvelle utilisation.

Pour régler ces problèmes de mise en forme et de recyclage, les élastomères thermoplastiques (ETP) ont été introduits. Ils ont les mêmes propriétés mécaniques que les élastomères mais ils sont facilement remis en forme sous l’action de la chaleur ou d’un solvant.

Nous proposons ici la stratégie et la synthèse de nouveaux élastomères supramoléculaires (ETP). Une fois chauffés, ces derniers ont une viscosité encore plus petites que les ETP conventionnels.

La polycondensation (chimie click) entre un polymère de faible IP obtenu par «ATRP» et une petite molécule capable de s'auto-assembler nous a donné une reticulation physique.

Les effets de l'introduction de ces interactions sur la chaine principale et latérale ont été étudiés par DSC et DMA. Les résultats obtenus sont exposés dans ce travail. Les groupements coumarine sont introduits pour une réticulation covalente reversible sous l'action des radiations UV. Cela est une photomodulation des propriétés mécaniques.