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Phenolic foams are attractive materials due to their interesting properties such as low density, low thermal conductivity, excellent fire resistance (low flammability, low emission of toxic gases), good chemical resistance, satisfactory mechanical strength, and high chelating affinity towards many metal ions. These characteristics make them increasingly preferred in a wide range of applications, including thermal insulation of buildings and wastewater treatment. However, they are generally obtained by polymerization reactions of chemicals such as phenol and formaldehyde, two non-renewable resources because they are derived from petroleum and classified as carcinogenic to humans. Thus, it would be of great interest to substitute their main precursors with others that are more environmentally friendly, sustainable, and economically profitable.These thesis works propose formulations of biobased phenolic foams for environmental and energy applications. These foams consist of approximately 80 dry-wt.% of tannins and lignin-rich industrial alkaline liquor. The latter have been used as natural alternatives to phenol and are widely present in the by-products of the local wood and pulp industries. First, the resulting foams were used to treat water contaminated with heavy metals (Cu, Cd, Zn and Pb). The effect of experimental parameters (pH, temperature, initial metal ion concentration and contact time) on the adsorption phenomenon was studied. The adsorption capacities of these foams for Cu2+, Cd2+, Zn2+ and Pb2+ metal ions are estimated at 46.5; 41; 29.1 and 100.9 mg/g, respectively. Also, a nonlinear regression was applied to select the best adsorption isotherms and kinetic isotherms. In view of the results obtained, these biobased foams could be used as an adsorbent for the treatment of water contaminated by heavy metals. Subsequently, the work was devoted to the development and characterization of foams in order to use them as a thermal insulator of buildings. After solving the problem of cracking of previous foams by adding a plasticizer to the formulations, a parametric study was carried out to evaluate the effects of catalysts, curing temperatures, tannins-alkaline liquor ratios, and crosslinking agents on the final properties of the foams. Using different characterization techniques, it has been shown that the cellular structure, intrinsic chemical structure, thermal behavior, insulating performance and mechanical resistance of foams strongly depend on the experimental parameters cited below. The foams obtained exhibited good compressive strength (0.11-1.65 MPa) and low thermal conductivity (37-50.55 mW/m.K).One of the originalities of this work has consisted in synthesizing foams rich in widely available resources and low valued until now (foams containing up to 52 dry-wt.% of alkaline industrial liquor without any pretreatments). These new materials are promising for production on an industrial scale and can also be used for thermal insulation of buildings., Les mousses phénoliques sont des matériaux attrayants en raison de leurs propriétés intéressantes telles qu’une faible densité, faible conductivité thermique, excellente résistance au feu (faible inflammabilité, faible émission de gaz toxiques), bonne résistance au produits chimiques, satisfaisante résistance mécanique et haute affinité de chélation envers de nombreux ions métalliques. Ces caractéristiques les rendent de plus en plus préférées dans une large gamme d’applications, notamment l’isolation thermique des bâtiments et le traitement des eaux usées. Cependant, elles sont généralement obtenues par des réactions de polymérisation des produits chimiques de type phénol et formaldéhyde, deux ressources non-renouvelables car issues du pétrole et classés comme cancérigènes pour l’homme. Ainsi, il serait d’un grand intérêt de substituer leurs principaux précurseurs par d’autres plus respectueux de l’environnement, durable, et économiquement rentable.Ces travaux de thèse proposent des formulations de mousses phénoliques biosourcées pour des applications environnementales et énergétiques. Ces mousses sont constituées d’environ 80% en masse sèche de tanins et de liqueur alcaline industrielle riche en lignine. Ces derniers ont été utilisés comme des alternatives naturelles au phénol et sont largement présents dans les sous-produits des industries locales du bois et de pâte à papier. Tout d’abord, les mousses obtenues ont été utilisées pour traiter des eaux contaminées par des métaux lourds (Cu, Cd, Zn et Pb). L’effet des paramètres expérimentaux (pH, température, concentration initiale en ion métallique et temps de contact) sur le phénomène d’adsorption a été étudié. Les capacités d’adsorption de ces mousses vis-à-vis des ions métalliques Cu2+, Cd2+, Zn2+ et Pb2+ sont estimées de 46,5 ; 41 ; 29,1 et 100,9 mg/g, respectivement. Aussi, une régression non-linéaire a été appliquée pour sélectionner les meilleures isothermes d’adsorption et isothermes cinétiques. Au regard des résultats obtenus, ces mousses biosourcées pourraient être utilisées comme adsorbant pour le traitement des eaux contaminées par des métaux lourds. Ensuite, le travail a été consacré au développement et à la caractérisation des mousses dans le but de les utiliser comme isolant thermique des bâtiments. Après résolution du problème de fissuration des mousses antérieurs par l’ajout d’un plastifiant aux formulations, une étude paramétrique a été menée pour évaluer les effets des catalyseurs, des températures de cuisson, des ratios tanins-liqueur alcaline, des agents de réticulations sur les propriétés finales des mousses. À l’aide de différentes techniques de caractérisations, il a été montré que la structurelle cellulaires, la structurelle chimique intrinsèque, le comportement thermique, la performance isolante et la résistance mécanique des mousses dépendaient fortement des paramètres expérimentaux mentionnés ci-dessous. Les mousses obtenues présentaient une bonne résistance à la compression (0,11-1,65 MPa) et une faible conductivité thermique (37-50,55 mW/m.K).L’une des originalités de ce travail consiste à produire des mousses riches en ressource largement disponible et peu valorisés jusqu’à présent (des mousses contenant jusqu’à 52% en masse sèche de liqueur alcaline industrielle). Ces nouveaux matériaux semblent être très prometteurs pour une production à l’échelle industrielle et peuvent être employées pour des applications d’isolation thermique des bâtiments.

New regulations for the thermal requirements of buildings implies greater energy efficiency in order to decrease primary energy consumption. In this context, improving thermal insulation of building materials is necessary. The BRITER project, financed by the Nouvelle-Aquitaine region and the Carnot MECD institute, aims at developing innovative fired clay bricks, through addition of wooden furniture wastes, with low thermal conductivity and mechanical properties compatible with current norms on building materials. Wood wastes were selected and mixed as pore formers with raw clay materials MA. The effect of the size and the amount of wooden furniture wastes on the thermal and mechanical properties of the fired products was investigated. The addition of wooden furniture wastes into the clay mixture enabled a significant improvement of the thermal insulation. Results showed that addition of 10 wt.% wood wastes led to decrease by 45 % in the thermal conductivity of the material based on the clay matrix MA. The addition of wooden furniture waste also yielded decrease of the mechanical properties which can be directly related to the amount and the size. However, mechanical properties remain within the standard values of clay building materials. This project also examined for energy saving and environmental impact linked to the firing process of clay/wood wastes mixtures. The final study examined the use of lamellar pore-forming agent to develop fired clay porous materials shaped by pressing. Results showed that 80 % of pores were perpendiculary oriented to the pressing direction and thus the thermal conductivity was reduced by 54 %., Devant le besoin de renforcer les actions de réduction des consommations énergétiques pour respecter la réglementation thermique RT2012 qui implique d’avoir des bâtiments économes en énergie, l’amélioration de l’isolation thermique des matériaux de construction s’impose. Le projet BRITER financé par la région Nouvelle-Aquitaine et le Tremplin Carnot MECD, s’inscrit dans ce contexte et vise à développer des briques de terre cuite incorporant des déchets de bois d’ameublement pour en faire des produits de terre cuite poreux utilisables dans la maçonnerie porteuse et dont les propriétés d’isolation thermique sont optimisées. Pour réaliser ces matériaux, les déchets d’éléments d’ameublements (DEA) ont été sélectionnés et préparés pour être incorporés en tant qu’agent porogène dans un mélange argileux (MA). L’effet de la granulométrie et du taux d’incorporation des DEA sur les propriétés thermiques et mécaniques des produits MA/DEA cuits a été évalué. L’ajout des DEA dans le MA a permis d’augmenter le taux de porosité et par conséquent d’améliorer l’isolation thermique du produit. Les résultats ont démontré que l’ajout de 10 %m de DEA a conduit à une diminution de la conductivité thermique de 45 % par rapport au produit brut. L’incorporation des DEA dans le MA a conduit à une diminution des propriétés mécaniques. Cette diminution est directement proportionnelle au taux d’incorporation et à la granulométrie des DEA. Plus le taux d’incorporation et/ou la granulométrie sont élevés, plus la résistance mécanique est réduite. Toutefois, les valeurs des résistances mécaniques restent dans les normes des matériaux de construction en brique de terre cuite. Ce travail s’est également intéressé au bilan énergétique et l’impact environnemental liés au processus de cuisson des produits MA/DEA. Une dernière étude a porté sur le développement de matériaux poreux en terre cuite, incorporant des agents porogènes lamellaires, mis en forme par pressage, ce qui a permis d’orienter 80 % des pores créés perpendiculairement à la direction de pressage et de réduire ainsi la conductivité thermique jusqu’à 54 % par rapport au produit brut.

The works presented here fit into current context of strong commercial development potential of bio-sourced insulators. They are carried out as part of a CIFRE PhD financed by the company FINSA France. They took place at I2M laboratory in Bordeaux, within an industrial project, ECOMATFIB (ADEME BIP, 2014-2017) : ECOconception et Optimisation multi-objectif de MATériaux isolants à base de FIBres de bois. The Objective of this PhD is to design, manufacture, characterize and optimize properties of thermal insulation based on wood fibers, produced using nonwoven textile process. After analysis of wood resource present in the New-Aquitaine region, insulating materials were designed out of sheets from maritime pine, pine taeda, poplar and eucalyptus wood fibers with addition of thermoplastic fibers then thermally consolidated in hot air oven. After preliminary identification of adjustment parameters of nonwoven chain available in I2M laboratory, many fibrous materials were made from diversified raw materials and suitable machine parameters. These bio-based materials were thermally characterized mainly by hot plane method and then in hydric manner to know their ability to interact with relative humidity of ambient air. Finally, their characterization in compression made it possible to study their propensity to preserve their properties after mechanical stress. Datas collected made it possible to identify parameters of raw materials as well as manufacturing process having significant impact on properties of these insulators. A first approach to modeling properties has led to identification of avenues to improve thermal properties and to validate their very good capacity for water regulation.; Les travaux présentés ici s’insèrent dans le contexte actuel du fort potentiel de développement commercial des isolants bio-sourcés. Ils sont menés dans le cadre d'une thèse CIFRE portée par l’entreprise FINSA France et effectuée au laboratoire I2M de Bordeaux, au sein d'un projet industriel, ECOMATFIB (ADEME BIP, 2014-2017) : ECOconception et Optimisation multi-objectif de MATériaux isolants à base de FIBres de bois. L’objectif de cette thèse est de concevoir, fabriquer, caractériser et optimiser les propriétés d’isolants thermiques à base de fibres de bois, réalisés à l’aide d’un procédé textile non-tissé. Après une analyse de la ressource bois présente en nouvelle Aquitaine, des isolants ont été fabriqués à partir de nappes de fibres de bois de pin maritime, de pin taeda, de peuplier et d’eucalyptus avec adjonction de fibres thermoplastiques puis consolidation par voie thermique dans un four à air chaud. Après identification préliminaire des paramètres de réglage de la chaîne de non-tissé disponible au laboratoire, de nombreux matériaux fibreux ont été réalisés, à partir d'une matière première diversifiée et de paramètres machines adaptés. Ceux-ci ont été caractérisés thermiquement principalement par la méthode du plan chaud puis de manière hydrique pour connaître leur faculté d’interaction avec l’humidité relative de l’air ambiant. Enfin, leur caractérisation en compression a permis d'étudier leur propension à conserver leurs propriétés après sollicitation mécanique. Les données recueillies ont permis d’identifier les paramètres de la matière première ainsi que du procédé de fabrication ayant un impact significatif sur les propriétés de ces isolants. Une première approche de modélisation des propriétés a conduit à identifier des pistes permettant l’amélioration des propriétés thermiques et de valider leur très bonne capacité de régulation hydrique.

The works presented here fit into current context of strong commercial development potential of bio-sourced insulators. They are carried out as part of a CIFRE PhD financed by the company FINSA France. They took place at I2M laboratory in Bordeaux, within an industrial project, ECOMATFIB (ADEME BIP, 2014-2017) : ECOconception et Optimisation multi-objectif de MATériaux isolants à base de FIBres de bois. The Objective of this PhD is to design, manufacture, characterize and optimize properties of thermal insulation based on wood fibers, produced using nonwoven textile process. After analysis of wood resource present in the New-Aquitaine region, insulating materials were designed out of sheets from maritime pine, pine taeda, poplar and eucalyptus wood fibers with addition of thermoplastic fibers then thermally consolidated in hot air oven. After preliminary identification of adjustment parameters of nonwoven chain available in I2M laboratory, many fibrous materials were made from diversified raw materials and suitable machine parameters. These bio-based materials were thermally characterized mainly by hot plane method and then in hydric manner to know their ability to interact with relative humidity of ambient air. Finally, their characterization in compression made it possible to study their propensity to preserve their properties after mechanical stress. Datas collected made it possible to identify parameters of raw materials as well as manufacturing process having significant impact on properties of these insulators. A first approach to modeling properties has led to identification of avenues to improve thermal properties and to validate their very good capacity for water regulation.; Les travaux présentés ici s’insèrent dans le contexte actuel du fort potentiel de développement commercial des isolants bio-sourcés. Ils sont menés dans le cadre d'une thèse CIFRE portée par l’entreprise FINSA France et effectuée au laboratoire I2M de Bordeaux, au sein d'un projet industriel, ECOMATFIB (ADEME BIP, 2014-2017) : ECOconception et Optimisation multi-objectif de MATériaux isolants à base de FIBres de bois. L’objectif de cette thèse est de concevoir, fabriquer, caractériser et optimiser les propriétés d’isolants thermiques à base de fibres de bois, réalisés à l’aide d’un procédé textile non-tissé. Après une analyse de la ressource bois présente en nouvelle Aquitaine, des isolants ont été fabriqués à partir de nappes de fibres de bois de pin maritime, de pin taeda, de peuplier et d’eucalyptus avec adjonction de fibres thermoplastiques puis consolidation par voie thermique dans un four à air chaud. Après identification préliminaire des paramètres de réglage de la chaîne de non-tissé disponible au laboratoire, de nombreux matériaux fibreux ont été réalisés, à partir d'une matière première diversifiée et de paramètres machines adaptés. Ceux-ci ont été caractérisés thermiquement principalement par la méthode du plan chaud puis de manière hydrique pour connaître leur faculté d’interaction avec l’humidité relative de l’air ambiant. Enfin, leur caractérisation en compression a permis d'étudier leur propension à conserver leurs propriétés après sollicitation mécanique. Les données recueillies ont permis d’identifier les paramètres de la matière première ainsi que du procédé de fabrication ayant un impact significatif sur les propriétés de ces isolants. Une première approche de modélisation des propriétés a conduit à identifier des pistes permettant l’amélioration des propriétés thermiques et de valider leur très bonne capacité de régulation hydrique.

Reducing the environmental footprint of the building sector is a key element of today's political and environmental issues. The poor quality of the building stock insulation is pointed out. It is therefore crucial to improve the performance of the existing insulation products. Glass wool, one of the main insulation product, is made of a glass fiber matrix surrounded by gas or vacuum. However, there is a need for microscopic measurements of heat transfer at the fiber scale. The collaborative project CarISOVERRE, funded by the Agence Nationale pour la Recherche, intends to investigate these transfer. This thesis, as part of the CarISOVERRE project, aims at providing experimental measurement of the conductive, convective and radiative heat transfer in a single fiber at microscopic scale along with the measurement of thermal resistance of contact between fibers. To this end, we developed several characterizing tools to study microscale heat transfer. First, the emission properties of single glass fibers with sub­wavelength diameter (given the thermal wavelength of 10 µm) is measured using the infrared spectroscopy method based on the spatial modulation of the sample in the field object plan of the microscope. Then, the thermal resistance of contact between two glass elements is studied under vacuum and under ambient conditions. A glass microsphere is placed into contact with a glass slide using a SThM probe which allows to heat the top of the sphere by Joule effect and to record the temperature at this point. With this information it is possible to identify the different heat channels through the SThM probe and/or through the air to extract the thermal resistance of contact. Finally, a non­contact method for the measurement of thermal emission of a single fiber heated by short laser pulses is presented. This microthermography method is the Flash method coupled with an infrared microscope to meet the specifics of our sample. The identification of the heat transfer parameters ­ exchange with the surrounding air, thermal resistance of contact between fibers – is obtained by studying the spatial and temporal dynamic of the signal along with simple analytical models. The results presented in this thesis are expected to be used as input parameters in future numerical simulations of the heat transfer in a glass wool sample.; La réduction de la consommation d'énergie liée au secteur du bâtiment est au cœur des enjeux politiques et environnementaux actuels. L'isolation du parc immobilier est remise en cause. C'est la raison pour laquelle il est important d'améliorer les performances des matériaux isolants existant comme la laine de verre. La laine de verre, qui est un des matériaux d'isolation thermique les plus courants, est composé d'une matrice solide faite de fibres de verre entourées par du gaz ou de vide. Il manque cependant une caractérisation microscopique du transfert de chaleur à l'échelle de ces fibres. C'estdans ce contexte que s'inscrit cette thèse qui s'est déroulée dans le cadre du projet collaboratif CarISOVERRE financé par l'Agence National pour la Recherche. Le but de cette thèse expérimentale est d'effectuer une caractérisation microscopique des transferts de chaleur ­ transfert conductif, convectif, radiatif ­ intervenant au sein d'une fibre de verre, et de mesurer la résistance thermique de contact entre fibres de verre. Pour cela, nous avons développé différents outils de caractérisation du transfert de chaleur à l'échelle micrométrique. Dans un premier temps, les propriétés d'émission thermique de fibres de verre dont le diamètre est plus faible que la longueur d'onde d'émission thermique (

Reducing the environmental footprint of the building sector is a key element of today's political and environmental issues. The poor quality of the building stock insulation is pointed out. It is therefore crucial to improve the performance of the existing insulation products. Glass wool, one of the main insulation product, is made of a glass fiber matrix surrounded by gas or vacuum. However, there is a need for microscopic measurements of heat transfer at the fiber scale. The collaborative project CarISOVERRE, funded by the Agence Nationale pour la Recherche, intends to investigate these transfer. This thesis, as part of the CarISOVERRE project, aims at providing experimental measurement of the conductive, convective and radiative heat transfer in a single fiber at microscopic scale along with the measurement of thermal resistance of contact between fibers. To this end, we developed several characterizing tools to study microscale heat transfer. First, the emission properties of single glass fibers with sub­wavelength diameter (given the thermal wavelength of 10 µm) is measured using the infrared spectroscopy method based on the spatial modulation of the sample in the field object plan of the microscope. Then, the thermal resistance of contact between two glass elements is studied under vacuum and under ambient conditions. A glass microsphere is placed into contact with a glass slide using a SThM probe which allows to heat the top of the sphere by Joule effect and to record the temperature at this point. With this information it is possible to identify the different heat channels through the SThM probe and/or through the air to extract the thermal resistance of contact. Finally, a non­contact method for the measurement of thermal emission of a single fiber heated by short laser pulses is presented. This microthermography method is the Flash method coupled with an infrared microscope to meet the specifics of our sample. The identification of the heat transfer parameters ­ exchange with the surrounding air, thermal resistance of contact between fibers – is obtained by studying the spatial and temporal dynamic of the signal along with simple analytical models. The results presented in this thesis are expected to be used as input parameters in future numerical simulations of the heat transfer in a glass wool sample.; La réduction de la consommation d'énergie liée au secteur du bâtiment est au cœur des enjeux politiques et environnementaux actuels. L'isolation du parc immobilier est remise en cause. C'est la raison pour laquelle il est important d'améliorer les performances des matériaux isolants existant comme la laine de verre. La laine de verre, qui est un des matériaux d'isolation thermique les plus courants, est composé d'une matrice solide faite de fibres de verre entourées par du gaz ou de vide. Il manque cependant une caractérisation microscopique du transfert de chaleur à l'échelle de ces fibres. C'estdans ce contexte que s'inscrit cette thèse qui s'est déroulée dans le cadre du projet collaboratif CarISOVERRE financé par l'Agence National pour la Recherche. Le but de cette thèse expérimentale est d'effectuer une caractérisation microscopique des transferts de chaleur ­ transfert conductif, convectif, radiatif ­ intervenant au sein d'une fibre de verre, et de mesurer la résistance thermique de contact entre fibres de verre. Pour cela, nous avons développé différents outils de caractérisation du transfert de chaleur à l'échelle micrométrique. Dans un premier temps, les propriétés d'émission thermique de fibres de verre dont le diamètre est plus faible que la longueur d'onde d'émission thermique (

The conventional heat transfer models are not sufficiently suitable for thermal characterization of bio-sourced thermal insulating materials due to their strongly hydrophilic nature. The proposed work in this PhD thesis aims to answer this problem with experimental and theoretical approaches of coupled heat-moisture transfers. In the experimental approach, a thermal insulating material based on Flax Fiber Felt (FFF) is developed and then characterized at different hygrometric conditions with an asymmetric hot plate device. The humidity diffusion characterization of the samples is done using the GAB, GDW and Park theoretical moisture adsorption isotherm models. In the theoretical approach, a physical model of heat and mass transfer is proposed. It is solved numerically, in transient 3D configuration, by the finite element method under COMSOL Multiphysics and, in transient 1D configuration, by the finite difference method under MATLAB. The Levenberg-Marquardt method coupled with the 1D transient direct model and the measured temperatures made it possible to estimate the apparent thermal conductivity of the studied sample with a relative error of less than 6% compared to the experimental measurements, thus validating the theoretical models.; Le caractère fortement hydrophile des isolants thermiques bio-sourcés, a montré que les modèles classiques de transfert thermique ne sont pas suffisamment adaptés pour leur caractérisation thermique. Ce travail de thèse vise à répondre à cette problématique par des approches expérimentale et théorique des transferts couplés chaleur-humidité. Dans l’approche expérimentale, un isolant thermique en feutre de fibres de lin (FFL) a été développé puis caractérisé, dans différents états hygrométriques, au moyen d’un dispositif Plan Chaud asymétrique. Des isothermes d’adsorption de l’humidité corrélés aux modèles théoriques GAB, GDW et Park permettent une caractérisation hydrique de cet isolant. Dans l’approche théorique, un modèle physique, de transfert couplé chaleur-humidité au sein de l’isolant FFL humide, est proposé. Il est résolu numériquement, en configuration 3D transitoire, par la méthode de éléments finis sous COMSOL Multiphysics et par la méthode des différences finies, en configuration 1D transitoire, sous MATLAB. La méthode de Levenberg-Marquardt couplée avec le modèle direct 1D transitoire et les températures mesurées a permis d’estimer la conductivité thermique apparente de l'échantillon étudié avec une erreur relative inférieure à 6% par rapport aux mesures expérimentales, validant ainsi les modèles théoriques.

Aerogels are ultra-light, highly porous and nano-structured materials with high specific surface area. Bio-aerogels are a new generation of aerogels that are fully biomass-based, which opens up a lot of potentials in biomass valorization and life science applications. In this work pectin was used to produce bio- aerogels. Two main objectives were achieved : • The first was to understand and correlate the characteristics of pectin and the preparation conditions with the internal structure of aerogel and its physico-chemical properties. • The second was to evaluate and develop pectin aerogels as advanced bio-materials for the two different applications : thermal insulation and drug delivery. Various mechanisms of network formation, gelation and non-solvent induced phase separation, were demonstrated to play a very important role in aerogel morphology and properties. Thermal conductivity of pectin aerogels was very low, around 0.015 - 0.020 W/(m.K), and showing U-shape dependence on density. When used as drug delivery matrices, the kinetics of drug release was correlated with pectin aerogels’ structure and density. Composite cellulose-pectin and silica-pectin aerogels were synthesized and also used as drug carriers; a prolonged release was recorded. A high potential of pectin aerogels to be used as versatile bio-materials with advanced tunable functionalities was demonstrated.; Les aérogels sont des matériaux nano-structurés ultralégers, hautement poreux et présentant une surface spécifique élevée. Les bio-aérogels sont une nouvelle génération d'aérogels entièrement bio-sourcés, offrant de ce fait de grands potentiels pour des applications à l’interface avec le vivant tout en valorisant la biomasse. Dans le cadre de cette thèse, la pectine a été utilisée pour produire des bio-aérogels. Deux principaux objectifs ont été atteints : • Le premier était de déterminer et de maîtriser les corrélations existantes entre les caractéristiques de la pectine et les conditions de préparation d’une part, avec la structure interne de l'aérogel et ses propriétés physico-chimiques d’autre part. • Le second était d’évaluer et développer les aérogels de pectine pour deux applications distinctes : l'isolation thermique et la libération de médicaments. Il a été établi que les différents mécanismes de formation du réseau, la gélification et la séparation de phase, jouaient un rôle majeur sur la morphologie et les propriétés finales de l'aérogel. La conductivité thermique des aérogels de pectine s'est révélée très faible, de l'ordre de 0,015 à 0,020 W/(m.K), et a présenté une courbe de dépendance en forme de U avec leurs densités. Les aérogels ont également été utilisés en tant que matrices supports de médicament. Les cinétiques de libération du médicament en milieu liquide ont été corrélées aux structures et densités des aérogels de pectine. Des aérogels composites, de type cellulose-pectine et silice-pectine, ont été préparés et utilisés comme supports de médicament menant à une libération prolongée du principe actif dans le temps. Dans cette thèse, nous avons mis en évidence le potentiel élevé des aérogels de pectine utilisés en tant que biomatériaux avancés, versatiles et aux fonctionnalités ajustables.

Aerogels are ultra-light, highly porous and nano-structured materials with high specific surface area. Bio-aerogels are a new generation of aerogels that are fully biomass-based, which opens up a lot of potentials in biomass valorization and life science applications. In this work pectin was used to produce bio- aerogels. Two main objectives were achieved : • The first was to understand and correlate the characteristics of pectin and the preparation conditions with the internal structure of aerogel and its physico-chemical properties. • The second was to evaluate and develop pectin aerogels as advanced bio-materials for the two different applications : thermal insulation and drug delivery. Various mechanisms of network formation, gelation and non-solvent induced phase separation, were demonstrated to play a very important role in aerogel morphology and properties. Thermal conductivity of pectin aerogels was very low, around 0.015 - 0.020 W/(m.K), and showing U-shape dependence on density. When used as drug delivery matrices, the kinetics of drug release was correlated with pectin aerogels’ structure and density. Composite cellulose-pectin and silica-pectin aerogels were synthesized and also used as drug carriers; a prolonged release was recorded. A high potential of pectin aerogels to be used as versatile bio-materials with advanced tunable functionalities was demonstrated.; Les aérogels sont des matériaux nano-structurés ultralégers, hautement poreux et présentant une surface spécifique élevée. Les bio-aérogels sont une nouvelle génération d'aérogels entièrement bio-sourcés, offrant de ce fait de grands potentiels pour des applications à l’interface avec le vivant tout en valorisant la biomasse. Dans le cadre de cette thèse, la pectine a été utilisée pour produire des bio-aérogels. Deux principaux objectifs ont été atteints : • Le premier était de déterminer et de maîtriser les corrélations existantes entre les caractéristiques de la pectine et les conditions de préparation d’une part, avec la structure interne de l'aérogel et ses propriétés physico-chimiques d’autre part. • Le second était d’évaluer et développer les aérogels de pectine pour deux applications distinctes : l'isolation thermique et la libération de médicaments. Il a été établi que les différents mécanismes de formation du réseau, la gélification et la séparation de phase, jouaient un rôle majeur sur la morphologie et les propriétés finales de l'aérogel. La conductivité thermique des aérogels de pectine s'est révélée très faible, de l'ordre de 0,015 à 0,020 W/(m.K), et a présenté une courbe de dépendance en forme de U avec leurs densités. Les aérogels ont également été utilisés en tant que matrices supports de médicament. Les cinétiques de libération du médicament en milieu liquide ont été corrélées aux structures et densités des aérogels de pectine. Des aérogels composites, de type cellulose-pectine et silice-pectine, ont été préparés et utilisés comme supports de médicament menant à une libération prolongée du principe actif dans le temps. Dans cette thèse, nous avons mis en évidence le potentiel élevé des aérogels de pectine utilisés en tant que biomatériaux avancés, versatiles et aux fonctionnalités ajustables.

The objective of this thesis is to develop new insulation composites from agricultural by-products for building applications. The research work is divided in three main steps : The first one focuses on the formulation of bio-based composites obtained by agglomeration of vegetal aggregates with different types of binders (bio-based or mineral binders), and on the characterization of their mechanical, thermal and hygric properties. Several bio-aggregates are envisaged (wheat straw, rape straw, flax shiv, hemp shiv and corn cob). A solution combining hemp shiv aggregates bonded with a bio-based thermosetting adhesive is selected. The next step aims to identify a suitable manufacturing process to produce rigid insulation panels using the previously determined composite formulation. Several manufacturing trials are conducted on different laboratory and industrial tools which allow to experiment existing manufacturing technologies. The possibility to produce the rigid insulation panel from hemp shiv at the industrial scale on a fully automatized production line is demonstrated. Finally, new solutions to improve the fire reaction of the insulation panels are tested which allows to identify suitable solutions for the developed composites.; L'objectif de cette thèse est de développer de nouveaux composites isolants biosourcés à partir de coproduits de l'agriculture exploitables dans le secteur du bâtiment. Les travaux s'organisent en trois principales étapes : La première, au travers d'un travail de formulation et de caractérisation, vise à évaluer les propriétés mécaniques, thermiques et hygriques de composites biosourcés obtenus par agglomération de granulats végétaux avec différents types de liants biosourcés et minéraux. Plusieurs agro-ressources sont envisagées (paille de blé, colza, anas, chènevotte et rafles de maïs). Une solution associant des granulats de chènevotte avec un liant biosourcé thermodurcissable est sélectionnée. La suite des travaux se focalise sur la recherche d'un procédé de mise en forme adapté à la fabrication de panneaux rigides isolants réalisés à partir de la formulation du composite de chènevotte. La fabrication de panneaux composites est testée sur différents outillages disponibles en laboratoire ainsi que sur des outils industriels permettant de tester les différentes technologies existantes. La possibilité de fabriquer le panneau rigide isolant de chènevotte sur une ligne de production industrielle entièrement automatisée est démontrée. Enfin, de nouvelles solutions permettant d'améliorer la réaction au feu des panneaux composites sont testées ce qui permet d'identifier des solutions adaptées au composite étudié.

Buildings are the largest energy end-use sector and account for about 40 % of the total final energy consumption in the EU-28. A short-term strategy to efficiently reduce this consumption is to decrease thermal losses through the building envelope by improving its thermal insulation, while minimizing the reduction of the available indoor living space. In this context, the thesis deals with the study and development for pre-industrialization of super-insulating composite materials based on silica aerogel. The studied material is part of the aerogel blanket family and is obtained by an innovative ambient drying process. With a very low thermal conductivity and reinforced mechanical properties, aerogel blankets are of great interest for applications where they can offer a cost advantage due to a space-saving effect. Firstly, the thesis work aims at performing analyses of the thermo-physical properties of the studied aerogel blankets at the exit of the molding and drying processes, and during application, when they are subjected to different environmental stresses (mechanical, hygric …). Heat transfer modeling is developed to study the relationship between the morphological parameters of the material and thermal transfer within it. Secondly, the thesis work focuses on the study of the expected performances of an insulating system based on the aerogel blanket, by the study of the thermal behavior of an experimental building monitored under actual climate, as well as the use of whole building energy numerical simulations taking into account several constructive techniques, different wall configurations, for various European climates. The results obtained show that the aerogel blankets studied have a thermal conductivity as low as 0.016 W.m-1.K-1 and have promising applications for building thermal insulation needs.; En Europe, le secteur du bâtiment est le plus énergivore et représente environ 40 % de l’énergie totale consommée. A court terme, la façon la plus efficace de baisser cette consommation est de réduire les déperditions thermiques à travers l’enveloppe du bâtiment en augmentant son isolation thermique, tout en minimisant la perte de surface habitable. Dans ce contexte, les travaux de thèse portent sur l’étude et la mise au point pour pré-industrialisation de matériaux super-isolants composites à base d'aérogel de silice. Le matériau composite étudié fait partie de la famille des blankets aérogels et est obtenu via un procédé de séchage ambiant innovant. Grâce à leur faible conductivité thermique et leurs propriétés mécaniques renforcées, les blankets aérogels sont d’un grand intérêt pour l’isolation thermique qui nécessite de fines épaisseurs d’isolants. Les travaux de thèse visent dans un premier temps à effectuer une analyse des propriétés thermophysiques des blankets aérogels étudiés à la sortie du moule de fabrication et vis-à-vis de leur mise en œuvre lorsqu’ils sont soumis à différentes sollicitations (mécaniques, hygriques ...). Des travaux de modélisation du transfert de chaleur dans le blanket aérogel sont développés afin d’étudier les relations entre le transfert thermique et les paramètres morphologiques du matériau. Dans un second temps, les travaux de thèse portent sur l’étude des performances à attendre d’un système d’isolation basé sur le blanket aérogel mis en œuvre sur un bâtiment, à la fois par l’analyse du comportement thermique d’une cellule test en climat réel, ainsi que par la conduite de simulations numériques de bâtiments prenant en compte plusieurs techniques constructives, configurations de murs, et ce, pour plusieurs climats européens. Les résultats obtenus montrent que les blankets aérogels étudiés ont une très faible conductivité thermique –0,016 W.m-1.K-1– et ont un fort potentiel d’application dans l’isolation thermique du bâtiment.

We focused on physical ageing of a non-woven produced by recycled fibers from plastic bottles. This non-woven is produced by drylaid-textile process and is used for building thermal insulation. Two networks are visible and structural relaxation has been investigated through the study of evolution of one fiber skin part with different couple time, temperature. Physical ageing of polymers can be followed by structural relaxation process. We showed that structural relaxation process is very long for temperatures of use far from glass transition temperature. Same results have been shown on the global non-woven stored in non-insulated box governed by Normandy weather. The combination of the two previous results reinforce our basic idea ; the insulator properties variation will be stable for long time only if temperature of use is far from glass transition temperature., Nous nous sommes intéressés dans ce travail à l’étude du vieillissement physique d’un non-tissé fabriqué à l’aide de fibres textiles issues du recyclage de bouteilles plastiques selon le procédé par voie sèche. L’application de ce non-tissé est l’isolation thermique des bâtiments français. Après avoir mis en évidence la présence de deux réseaux de fibres, nous nous sommes intéressés au phénomène de relaxation structurale. Le vieillissement physique du non-tissé étant régi par l’enrobage d’une des fibres utilisées dans la fabrication de celui-ci, nous avons observé l’évolution de l’enthalpie de relaxation en fonction de différents couples temps de vieillissement, écart de température par rapport à sa température de transition vitreuse. Les résultats ont mis en évidence un état d’avancement du mécanisme de relaxation quasi-nul pour des températures très éloignées de la température de transition vitreuse de l’enrobage. L’évolution de cette même enthalpie de relaxation a été étudiée pour différents non-tissés issus de différents lots de fabrication des cinq dernières années. Il a été mis en évidence un mécanisme de relaxation lent dans les conditions expérimentales nous rassurant quant à la stabilité du produit fini dans le temps.

The bioclimatic construction tendency is of top importance for building specialists all over the world and the concerns of energy consumption for indoors conditioning is increasing as the associated ecological damages is progressively alarming. The main goal of this work is to provide guidance to a building design with purposed reduced energy consumption for heating and cooling. Concretely, this thesis aims at studying the impact of many technical, architectural and meteorological parameters of an apartment on its energy performance and thermal comfort. The studied parameters are: the envelope thermal insulation, the orientation, the floor level, the coupling of the slab-on-grade, the absorption coefficient of the roof and the external walls and the controlled mechanical ventilation. A numerical study based on TRNSYS code is carried out for six different climates of Morocco as defined by the Thermal Regulation of Construction in Morocco namely; Atlantic: Agadir, Mediterranean: Tangier, Continental: Fez, Cold: Ifrane, Semi-arid: Marrakech and Desert: Errachidia. The numerical model has been validated by the experimental results obtained from long experimental monitoring campaigns in summer and winter of the apartment located in the city of Marrakech. The heating and cooling loads of the apartment as well as the thermal discomfort indices are calculated for the eleven possible configurations combining the studied parameters. The results show that the thermal insulation of the facade leads to a summer overheating with an increase in the total thermal load of the apartment up to 18% in all the considered climates, with the exception of the cold one. Furthermore, it is found that introducing the thermal insulation of the facade by the air gap is sufficient to achieve an acceptable level of energy saving and thermal comfort as it prevents summer overheating. Similarly, it is established that the slab-on-grade thermal insulation causes an increase in the thermal load of at least 67% for warm and moderate climates. The best combination of all the studied energy efficiency measures for each climate condition is evaluated by comparison with a reference case that represents the actual apartment. Before the experimental approach setting, a theoretical study based on the Design of Experiment method and the linear regression is implemented in order to predict, through mathematical models, the cooling and heating loads of a building cell in Marrakech as well as to prioritize most impacting factors on the building's energy performance in this region. The analysis of the elaborated mathematical models on the basis of results from several dynamic TRNSYS simulations, and taking into account the high precision of the obtained correlation coefficients (superior to 0.92), makes it possible to conclude that in the climate of Marrakech, the parameters of the building that have a significant impact on its thermal load are mainly the window to wall ratio, the roof, the slab-on-grade and the walls thermal insulation. Finally, this approach can be considered, on the one hand, as a crossroad between building energetic, architecture and mathematical methods (Design of Experiment and multilinear regression) that provide an added value from methodological point of view, and on the other hand as an evaluation tool prior to the construction of buildings in the different studied climates., La conception de constructions bioclimatiques prend une place capitale dans les préoccupations des spécialistes du bâtiment dans le monde entier et la consommation d’énergie pour le conditionnement des intérieurs est d’autant plus élevée que les dégâts écologiques y afférents deviennent alarmants. L’objectif de ce travail s’inscrit dans cette optique en mettant à disposition un guide de conception de bâtiment à consommation d’énergie réduite en matière de chauffage et de refroidissement. Concrètement, Cette thèse vise à étudier l'impact de nombreux paramètres techniques, architecturaux et météorologiques d'un appartement sur sa performance énergétique et son confort thermique. Les paramètres étudiés sont: l'isolation thermique de l'enveloppe, l'orientation, le niveau de l’étage, le couplage du plancher bas au sol, le coefficient d'absorption du toit et des murs extérieurs et la ventilation mécanique contrôlée. Une étude numérique basée sur TRNSYS est réalisée dans les six climats différents du Maroc tels qu’ils sont définis par le Règlement Thermique des Constructions au Maroc à savoir ; Atlantique : Agadir, Méditerranéen : Tanger, Continental : Fès, Froid : Ifrane, Semi-aride : Marrakech et Désertique : Errachidia. Le modèle numérique a été validé par rapport aux résultats expérimentaux obtenus lors de longues campagnes de suivi expérimental en été et en hiver d’un appartement situé dans la ville de Marrakech. Les charges de chauffage et de refroidissement de l'appartement ainsi que les indices d'inconfort thermique sont calculés pour les onze configurations possibles combinant les variantes des paramètres étudiés. Les résultats montrent que l'isolation thermique de la façade conduit à une surchauffe estivale avec une augmentation de la charge thermique totale de l’appartement pouvant atteindre 18% dans tous les climats considérés, à l'exception du climat froid. Il est constaté que la technique d’isolation thermique de la façade par la lame d’air, en empêchant la surchauffe estivale, est suffisante pour atteindre un niveau appréciable d’efficacité énergétique et de confort thermique. De même, il est établi que l’isolation thermique du plancher bas sur sol provoque une augmentation de la charge thermique d’au moins 67% pour les climats chauds et modérés. La meilleure combinaison de toutes les mesures d'efficacité énergétique étudiées pour chaque condition climatique est évaluée par la comparaison des charges thermiques avec celles d’un cas de référence qui représente l'appartement réel. Préalablement à cette approche expérimentale, une étude théorique basée sur la méthode des plans d’expérience et sur la régression linéaire est mise en œuvre afin de prédire, à travers des modèles mathématiques, les charges de refroidissement et de chauffage d’une cellule de bâtiment à Marrakech au climat chaud et semi-aride ainsi que d’hiérarchiser les facteurs à haut impact sur les performances énergétiques du bâtiment dans cette région.L'analyse des modèles mathématiques élaborés sur la base des résultats de plusieurs simulations dynamiques à l’aide de TRNSYS, compte tenu de la haute précision des coefficients de corrélation obtenus (supérieurs à 0.92), permet de conclure que dans le climat de Marrakech, les paramètres du bâtiment qui ont un impact important sur sa charge thermique sont principalement le taux de baies vitrées, l'isolation thermique du toit, des murs et du plancher bas. Enfin, cette approche peut être considérée, d’une part, comme un carrefour entre l’énergétique des bâtiments, l’architecture ainsi que les méthodes mathématiques (plans d'expériences et régression multilinéaire) qui apporte une valeur ajoutée du point de vue méthodologique et d’autre part comme un outil d’évaluation préalable à la construction des bâtiments sous les différents climats étudiés.

The global context of energy savings and greenhouse gases emissions control led to significant efforts in France to boost the thermal insulation in buildings in order to reduce heating consumption. Nevertheless, the stated thermal performance before construction or refurbishment is rarely achieved in practice, for many reasons (calculation errors, defects in materials or workmanship, etc.). Yet, guaranteeing the real thermal performance of buildings on the spot is crucial to enhance the refurbishment market and the construction of energy efficient buildings. To do so, measurement techniques of the intrinsinc thermal insulation performance indicators are needed. Such techniques already exist worldwide, and consist in processing the measurement data from the indoor and outdoor thermal conditions and the heat consumption. Some of them have already proved themselves in the field, but are either binding or very imprecise. And above all, the related uncertainty calculations are often rough. The objective of this thesis funded by CSTB is to consolidate a novel measurement method of the thermal insulation quality of a whole building after reception of work (ISABELE method). In the first chapter, a state of the art of the existing methods allows to identify possible ways to pursue this goal from a comparative synthesis. The primary reflection is about the uncertainty calculation method (which is a central issue). The second chapter presents a global methodology to combine the propagation of random and systematic errors from bayesian and classical approaches. One of the most important uncertainty sources deals with the infiltration air flow evaluation during the test. The third chapter investigates the characterization of this uncertainty, as well as its impact on the final result, depending on the chosen experimental approach (rule of thumb, simplified aeraulic models, tracer gases). Lastly, an improvement of the inclusion of the bluiding thermal dynamics during the test will be proposed in the last chapter. The basis of this improvement is to adapt the inverse model according to the building type and the test conditions. To do so, the proposed algorithm selects a model form a variety of simplified greybox models based on statistical criteria and parcimony. All these contributions have been tested on a large serie of measurements on a same timber-framed building (OPTIMOB shed). The robustness and precision of the results have been slightly improved. The intial infiltration air flow calculation, neither too simple of too complicated, has also been validated. Finaly, a better ordrer of magnitude of the minimal test duration has been determined, depending on the building inertia., Dans un contexte d’économie d’énergie et de réduction des émissions de gaz à effet de serre, de nombreux efforts ont été réalisés en France pour renforcer l’isolation de l’enveloppe des bâtiments afin de contribuer à réduire les consommations de chauffage. Toutefois, il arrive souvent que la performance thermique calculée avant construction ou rénovation ne soit pas atteinte sur le terrain (erreur de calcul, défauts de mise en œuvre, etc.). Or, pour pouvoir généraliser la construction de bâtiments à basse consommation et la rénovation, il faut pouvoir garantir aux maîtres d'ouvrage une performance réelle de leur bâtiment après travaux. Le fait de mesurer in situ la performance intrinsèque d'isolation thermique de l'enveloppe permet de contribuer à cette garantie. Il existe à l’échelle internationale de nombreuses méthodes basées sur le suivi des consommations et des conditions thermiques intérieures et extérieures. Certaines ont déjà fait leurs preuves sur le terrain, mais sont souvent soit contraignantes, soit peu précises. Et surtout, les calculs d’incertitude associés sont souvent rudimentaires. L’objectif de ce travail financé par le CSTB est de consolider scientifiquement une nouvelle méthode de mesure de la qualité d’isolation globale d’un bâtiment à réception des travaux (méthode ISABELE). Dans le premier chapitre, un état de l'art sur les méthodes existantes a été réalisé afin de dégager des pistes d'amélioration sur la base d'une synthèse comparative. La piste prioritaire identifiée porte sur le calcul d'incertitude (un point central du problème). La propagation des erreurs aléatoires par un approche bayésienne ainsi que des erreurs systématiques par une approche plus classique feront l'objet de la méthodologie globale proposée dans le second chapitre. L'une des importantes sources d'incertitude porte sur l'évaluation du débit d'infiltration. La caractérisation de cette incertitude et de l'impact sur le résultat de mesure fera l'objet du troisième chapitre, avec un comparatif de différentes approches expérimentales (règle du pouce, modèles aérauliques, gaz traceur). Enfin, une amélioration de la prise en compte de la dynamique thermique du bâtiment au cours du test sera proposée dans le dernier chapitre. Son fondement repose sur l'adaptation du modèle thermique inverse en fonction du bâtiment et des conditions du test. Pour cela, une sélection parmi une banque de modèles simplifiés est réalisée sur la base de critères statistiques et du principe de parcimonie. Ces différentes dispositions ont été testés sur une large série de mesures menées sur un même bâtiment à ossature bois (chalet OPTIMOB). La robustesse et la précision du résultat de mesure ont ainsi pu être légèrement améliorées. La méthode de calcul du débit d'infiltration, ni trop simple ni trop complexe, a pu également être validée. Enfin, le temps de mesure minimal nécessaire a pu être déterminé en fonction de la classe d'inertie du bâtiment.

The national objectives on the reduction of the rejections of greenhouse gases bring to the necessity of a thermal renovation for 75 % of the French buildings. As the requirements for old and new buildings increase their standards, design thinner and more efficient insulation materials is of great and increasing interest. New insulating materials with thermal conductivities lower than the still dry air (25 mW / (m. K)), such as based silica xerogel products (15 mW / ( m.K )), recently developed, are an interesting choice to answer those new fonctionnalities. In our study, silica xerogels (porosity > 80 %, specific surface > 600 m ²/g) are available as granular materials and binded stiff composite boards (xerogels / latex). The optimization of these materials requires to understand the link between their microstructure, their thermal conductivity and their mechanical behaviour., Depuis 30 ans, les exigences règlementaires en matière d’isolation thermique des bâtiments augmentent sans cesse. Pour mieux isoler, et conserver la surface habitable et la valeur patrimoniale, il est nécessaire d’augmenter les performances des isolants thermiques. Si les meilleurs systèmes classiques d’isolant atteignent désormais des conductivités thermiques proches de 30 mW/(m.K), les matériaux supers isolants à pression atmosphérique affichent moins de 18 mW/(m.K) et sont à base d’aérogels de silice. Cette matière première doit ses excellentes performances thermiques, à d’une part la taille de ces nanopores inférieure à 70nm, et d’autre part leur très forte quantité. Ceci induit par contre de très faibles propriétés mécaniques, les systèmes super isolants formulés avec des aérogels sont donc toujours des composites : empilement granulaire faiblement lianté. Pour développer l’optimisation de ces formulations, il est nécessaire de disposer d’outils de caractérisation microstructurales multiéchelles dédiés aux aérogels et au suivi pas à pas des étapes d’élaboration post synthèse. Ce travail de thèse a pour objectif de les mettre en place et de les valider. Les matériaux supports de cette thèse, sont des aérogels de silice hydrophobes granulaires et deux formulations liantées en phase aqueuse. Ces formulations architecturées, par une faible fraction volumique de liant organique de taille nanométrique, se distinguent par la taille et le type de surfactant employé, et les performances tant thermiques que mécaniques obtenues. Tout d’abord, le réseau poreux de silice à l’échelle nanométrique a été imagé et caractérisé par tomographie électronique. Cette partie vise à fournir une distribution en taille de pores, particules et agrégats, destinée à alimenter des modèles thermo-mécaniques. Dans un second temps, l’empilement granulaire des aérogels non liantés a été étudié par tomographie aux rayons X. Les résultats de compacité, les morphologies des réseaux de pores, et de grains ont été couplés aux mesures de masse volumique et de porosité inter-granulaire afin de dégager un lien entre microstructure de l’empilement granulaire et conductivité thermique mesurée. Enfin, les interactions aérogels de silice/liant sont imagées en utilisant l’ESEM wet-stem. Une méthodologie quantitative permet ensuite de s’assurer que le surfactant employé induit bien d’une part une dispersion homogène des aérogels, et d’autre part un réseau texturé de liant. Pour conclure, les propriétés thermiques et mécaniques sont mesurées sur les composites référence et des composites innovants avec une étude détaillée des microstructures formées en synergie. Des pistes d’optimisation matériau par opacification intra-granulaire des aérogels sont proposées, un nouveau surfactant est infirmé. Les outils développés valident ainsi leur pertinence pour assurer la qualification des futures formulations de matériaux super isolants.

One of the issues relating to the sustainability of thermal insulation in the building industry is the use of composites derived from agricultural resources. These composites are typically agglomerated with mineral binders or from synthesis. To explore the use of polysaccharide binders for the conception of insulation panels based one sunflower stem aggregates (reinforcement), chitosan has been chosen as polysaccharide model. After a first stage of physico-chemical, thermal and mechanical characterizations of the binder and the reinforcement, an experimental design was established to find the best values of the particle size, the ratio binder/reinforcement and the compaction stress affecting the thermo-mechanical properties of the composites. A composite with a thermal insulation of about 0.06 W.m-1.K-1 and a maximum strength (in tension and compression modes) of 2 MPa was obtained with a ratio chitosan/sunflower stalk aggregates of 4.3 % and a size of 6.3 mm for the aggregates. The mechanical and thermal performances are superior to that of other biobased insulators available on the market. Formulation of the binder by covalent crosslinking (genipin) and by the addition of other biopolymers (alginate, guar gum, starch) with binding property has been achieved through the development of a fractional factorial experimental design. The results show the ability to maintain satisfactory mechanical and thermal properties with reducing chitosan content., Un des enjeux relatifs à la durabilité des isolants thermiques dans l’industrie du bâtiment est l’utilisation de composites issus d’agro-ressources. Ces composites sont généralement mis en œuvre en l’état ou agglomérés par des liants minéraux ou issus de la synthèse. Afin d’explorer l’utilisation de liants polysaccharidiques pour la conception de panneaux isolants à base de broyats de tiges de tournesol (renfort), le chitosane a été choisi comme polysaccharide modèle. Après une première étape de caractérisations physico-chimique, thermique et mécanique du liant et du renfort, un plan d’expérience composite centré a été établi afin de trouver les meilleures valeurs de granulométrie des particules, de ratio massique liant/renfort et de contrainte de compactage influant sur les propriétés thermo-mécaniques des composites. Un composite doté d’une propriété d’isolation thermique de l’ordre de 0,06 W.m-1.K-1 et d’une contrainte à la rupture en traction et en compression de l’ordre de 2 MPa a été obtenu avec un ratio massique en chitosane de 4,3 % et une granulométrie de broyats de tiges de tournesol de 6,3 mm. Ses performances mécanique et thermique sont supérieures à celles des autres isolants biosourcés actuellement sur le marché. Dans une démarche d’éco-conception un travail de formulation du liant par réticulation covalente (génipine) et par ajout d’autres biopolymères (alginate, guar, amidon), dotés de propriétés liantes, a été réalisé via l'élaboration d'un plan d'expérience factoriel fractionnaire. Les résultats montrent la possibilité de conserver des propriétés mécaniques et thermiques satisfaisantes tout en minimisant la quantité de chitosane utilisé.

Thermal insulation is essential in several types of MEMS (Micro electro mechanical systems). Depending on the device, insulation can reduce the device’s power consumption, decrease its response time, or increase its sensitivity. Existing thermal insulation materials are difficult to integrate as thick layers in silicon-based devices. Because of this, the most commonly used approach is to integrate the areas requiring insulation on thin membranes. This provides effective insulation, but restricts the design of the device and the membrane’s fragility makes the device’s fabrication and use more complicated. Poreux silicon is easy to integrate as it is made by electrochemical etching of crystalline silicon substrates. 100 µm thick layers can easily be fabricated and its thermal conductivity is 2-3 orders of magnitude lower than that of bulk silicon. However, its porosity causes other problems : low chemical resistance, its structure is unstable above 400°C, and reduced mechanical stability. The ease of integration of porous semiconductors remains a major advantage, so we aim to reduce the disadvantages of these materials in order to help their integration in microfabricated devices. The first approach we developed was to amorphise porous Si by irradiating it with heavy ions. We have shown that amorphisation of porous Si, even partial, causes a reduction of its thermal conductivity without damaging its porous structure. In this way a reduction in thermal conductivity by up to a factor of three can be achieved. The second approach was to develop a new material. Porous SiC was chosen, as bulk SiC has exceptional physical properties which are superior to those of silicon. We carried out a systematic study of the porosification process of SiC versus HF concentration and current, which enabled us to make thick (100 µm) and uniform layers. We have implemented a system for measuring thermal conductivity using the “3 omega” technique and used it to measure the thermal conductivity of porous SiC. Our results show that the thermal conductivity of porous SiC is about two orders of magnitude lower than that of bulk SiC. We have also shown that porous SiC is resistant to all chemical commonly used in microfabrication, and is stable up to at least 1000°C., L'isolation thermique est essentielle dans de nombreux types de MEMS (micro-systèmes électro-mécaniques). Selon le type de dispositif, l'isolation permet de réduire la consommation d'énergie, diminuer le temps de réponse, ou augmenter sa sensibilité. Les matériaux d'isolation thermique actuellement disponibles sont difficiles à intégrer en couche épaisse dans des dispositifs en silicium. À cause de cela, l'approche la plus utilisée pour l'isolation est d'intégrer les zones à isoler sur des membranes minces (~ 1 µm). Cela assure une bonne isolation, mais est restrictif pour la conception du dispositif et la fragilité des membranes complique la fabrication et l'utilisation de celui-ci. Le silicium poreux est facile à intégrer puisqu'il est fabriqué par gravure électrochimique de substrats de Si cristallin. On peut aisément fabriquer des couches épaisses (100 µm) et sa conductivité thermique est 2-3 ordres de grandeur plus faible que celle du Si massif. Par contre sa porosité cause des problèmes : mauvaise résistance chimique, structure instable au-delà de 400°C, et tenue mécanique réduite. La facilité d'intégration des semiconducteurs poreux est un atout majeur, et nous visons donc de réduire les désavantages de ces matériaux afin de favoriser leur intégration dans des dispositifs en silicium. La première approche qui a été développée consiste à amorphiser le Si poreux en l'irradiant avec des ions à haute énergie (uranium, 110 MeV). Nous avons montré que l'amorphisation, même partielle, du Si poreux entraîne une diminution de sa conductivité thermique, sans endommager sa structure poreuse. On peut atteindre ainsi une réduction de conductivité thermique jusqu’à un facteur de trois. La seconde approche est de développer un nouveau matériau. Le SiC poreux a été choisi, puisque le SiC massif a des propriétés physiques exceptionnelles et supérieures à celles du silicium. Nous avons mené une étude systématique de la porosification du SiC en fonction de la concentration en HF et le courant, ce qui nous a permis de fabriquer des couches poreuses uniformes d’une épaisseur d’environ 100 µm. Nous avons implémenté un banc de mesure de la conductivité thermique par la méthode « 3 oméga » et l'avons utilisé pour mesurer la conductivité thermique du SiC poreux. Nos résultats montrent que la conductivité thermique du SiC poreux est environ deux ordres de grandeur plus faible que celle du SiC massif. Nous avons aussi montré que le SiC poreux est résistant à tous les produits chimiques typiquement utilisés en microfabrication et est stable jusqu'à au moins 1000°C.

Aussi disponible en anglais: Insight into LTTR

This thesis focuses on modeling and characterization of heat and mass transfer in a wooden building envelope. A code which simulates unsteady heat and mass in an air layer in two-dimensional geometry, which is part of the multi-layer wall, was developed and validated. Numerical validations that include all transfer modes were achieved for unsteady and steady states regimes (conduction, convection, surface-to-surface radiation, mass transfer and surface condensation). Then, the code developed for the air layer at the LEMTA was coupled to the code Transpore used at the LERFOB. The latter one deals with the transfer in hygroscopic solid materials. For the experimental validation of the fully coupled code, an experimental cell was constructed and instrumented to study the hygrothermal behavior of the studied walls. This cell which is thermally and hygroscopicly controlled was set up at the CRITT BOIS. Comparisons between the experimental and numerical results are presented and discussed. Besides, several experiments of thermal characterization of various materials (insulators containing wood fibers, solid wood ...) were also conducted. The influence of temperature and moisture on thermal conductivity and specific heat was largely investigated, Ce travail de thèse porte sur la modélisation et la caractérisation des transferts de chaleur et de masse dans les parois multicouches des bâtiments à ossature bois. Un code instationnaire permettant de simuler les transferts de chaleur et de masse dans une lame d'air en géométrie bidimensionnelle, qui est un élément de la paroi multicouches, a été développé et validé. Les validations numériques en régimes transitoire et stationnaire ont porté sur la totalité des modes de transfert (conduction, écoulement en convection naturelle et forcée, rayonnement entre surfaces, transfert massique et condensation surfacique). Ensuite, ce code intégrant la présence d'une lame d'air dans la paroi a été couplé au code Transpore développé au LERFOB. Ce dernier traite rigoureusement les transferts dans les matériaux solides hygroscopiques. Pour la validation expérimentale du code complet couplé, une cellule expérimentale a été construite et instrumentée pour étudier le comportement hygrothermique des parois étudiées. Cette cellule, régulée thermiquement et hygroscopiquement en température et en humidité relative, a été mise en place au CRITT BOIS d'Epinal. Des comparaisons entre les résultats expérimentaux et numériques sont également présentées et discutées. De nombreuses campagnes de caractérisation thermique sur divers matériaux (isolants à base de fibres de bois, bois massifs, ...) ont également été menées. L'influence de la température et de l'humidité sur la conductivité thermique et la chaleur spécifique a été largement analysée

Insulation technique using thin reflecting insulation materials (TRP) join the thermal insulation performance of materials as well as air cavities with the reduction of radiative heat transfer using a barrier with low thermal emissivity. The use of these materials has spread enormously in the European markets without a valuable evaluation of their real thermal performance once integrated in the building envelop. The main objective was therefore to carry out a complete characterization of these products integrated in vertical walls and roof systems, by modeling and experimental study, to have a better knowledge of the physical phenomena induced by this type of insulation products. A heat transfer model for a vertical complex wall integrating a TRP adjacent to one or two non-ventilated air layers was realized. A preliminary numerical study characterized the natural convective heat transfer inside the non-ventilated air layers of different dimensions and inclinations. The results of thermal performances were validated by an experimental study based on the principle of the hot box. A heat transfer model of a complex roof system was developed. For summer conditions, the ventilated air layer built between the tiles and the TRP was studied numerically and through PIV measurements. The heat transmission ratio of the complex was determined by varying several parameters. For winter conditions, the thermal performances of the complex were calculated by taking into account the impact of the wind on the ventilated air layer and the permeability of the tiles. The results showed that these products, used as a unique insulation, cannot ensure a good level of insulation in conformity with European standards. Installed as a complement of insulation, they have the advantage of increasing the summer comfort in attics in sunny conditions.; Ce travail met la lumière sur les performances d'une technique d'isolation de l'enveloppe du bâtiment par produits minces réfléchissants (PMR). Cette technique regroupe la performance isolante d'un matériau ainsi que celle d'une lame d'air fermée à la réduction des transferts radiatifs en utilisant une barrière à faible émissivité thermique. Le marché de ces produits s'est développé rapidement alors qu'ils ne sont pas certifiés et qu'il existe une controverse sur les performances effectives qu'ils peuvent atteindre une fois intégrés dans le bâtiment. L'objectif principal a donc été de réaliser une caractérisation complète de ces produits intégrés dans les parois verticales du bâtiment et les combles, par modélisation et par étude expérimentale, pour obtenir une meilleure connaissance des phénomènes physiques induits par ce type de produits d'isolation. Un modèle thermique de paroi complexe intégrant un PMR a été réalisé. Une étude numérique préliminaire a permis de caractériser l'échange convectif à l'intérieur des lames d'air non ventilées. Les résultats de performances thermiques ont été validés par une étude expérimentale basée sur le principe de la boîte chaude. Un modèle de rampant de toiture intégrant un PMR a été également réalisé. Pour la période estivale, la lame d'air ventilée conçue entre les tuiles et le produit réfléchissant a été étudiée par une modélisation numérique et des mesures par PIV. Le facteur de transmission solaire du complexe de rampant a été déterminé en variant plusieurs paramètres. Pour la période hivernale, les performances thermiques ont été calculées en prenant en compte l'effet du vent et la perméabilité des tuiles sur la lame d'air ventilée. Les résultats ont montré que ces produits, utilisés comme isolation unique, ne répondent pas aux exigences règlementaires. Installés en complément, ils ont l'avantage d'augmenter le confort d'été au niveau des combles aménagés en période ensoleillée.

Insulation technique using thin reflecting insulation materials (TRP) join the thermal insulation performance of materials as well as air cavities with the reduction of radiative heat transfer using a barrier with low thermal emissivity. The use of these materials has spread enormously in the European markets without a valuable evaluation of their real thermal performance once integrated in the building envelop. The main objective was therefore to carry out a complete characterization of these products integrated in vertical walls and roof systems, by modeling and experimental study, to have a better knowledge of the physical phenomena induced by this type of insulation products. A heat transfer model for a vertical complex wall integrating a TRP adjacent to one or two non-ventilated air layers was realized. A preliminary numerical study characterized the natural convective heat transfer inside the non-ventilated air layers of different dimensions and inclinations. The results of thermal performances were validated by an experimental study based on the principle of the hot box. A heat transfer model of a complex roof system was developed. For summer conditions, the ventilated air layer built between the tiles and the TRP was studied numerically and through PIV measurements. The heat transmission ratio of the complex was determined by varying several parameters. For winter conditions, the thermal performances of the complex were calculated by taking into account the impact of the wind on the ventilated air layer and the permeability of the tiles. The results showed that these products, used as a unique insulation, cannot ensure a good level of insulation in conformity with European standards. Installed as a complement of insulation, they have the advantage of increasing the summer comfort in attics in sunny conditions.; Ce travail met la lumière sur les performances d'une technique d'isolation de l'enveloppe du bâtiment par produits minces réfléchissants (PMR). Cette technique regroupe la performance isolante d'un matériau ainsi que celle d'une lame d'air fermée à la réduction des transferts radiatifs en utilisant une barrière à faible émissivité thermique. Le marché de ces produits s'est développé rapidement alors qu'ils ne sont pas certifiés et qu'il existe une controverse sur les performances effectives qu'ils peuvent atteindre une fois intégrés dans le bâtiment. L'objectif principal a donc été de réaliser une caractérisation complète de ces produits intégrés dans les parois verticales du bâtiment et les combles, par modélisation et par étude expérimentale, pour obtenir une meilleure connaissance des phénomènes physiques induits par ce type de produits d'isolation. Un modèle thermique de paroi complexe intégrant un PMR a été réalisé. Une étude numérique préliminaire a permis de caractériser l'échange convectif à l'intérieur des lames d'air non ventilées. Les résultats de performances thermiques ont été validés par une étude expérimentale basée sur le principe de la boîte chaude. Un modèle de rampant de toiture intégrant un PMR a été également réalisé. Pour la période estivale, la lame d'air ventilée conçue entre les tuiles et le produit réfléchissant a été étudiée par une modélisation numérique et des mesures par PIV. Le facteur de transmission solaire du complexe de rampant a été déterminé en variant plusieurs paramètres. Pour la période hivernale, les performances thermiques ont été calculées en prenant en compte l'effet du vent et la perméabilité des tuiles sur la lame d'air ventilée. Les résultats ont montré que ces produits, utilisés comme isolation unique, ne répondent pas aux exigences règlementaires. Installés en complément, ils ont l'avantage d'augmenter le confort d'été au niveau des combles aménagés en période ensoleillée.

National audience; In this work, we focus on a thermal insulating panel made of wood fibres. The making process is a non-woven fabric process that generates a high porosity and a very lowdensity material. Thermal properties were first investigated. This paper deals with mechanical properties that are involved in the production line, transport and handling in the construction site. An insulating panel was compressed (33% and 73%) and we followed in situ its internal deformation using X-ray microtomography. The results enlighten a special behaviour that is linked to the low-density structure of the panel. In particular, the fibres are not compressed and the macroscopic deformation of the sample generates only a new organisation of the fibres in the panel. These results are confirmed by morphological measurements that were performed by 3D image analysis.; On s'intéresse à des isolants thermiques à base de fibres de bois utilisés dans le bâtiment, de très forte porosité, élaborés par un procédé textile non tissé. Les propriétés thermiques ont fait l'objet des premières études et les propriétés mécaniques, intervenant lors du transport et de la manipulation, font l'objet de ce travail. Nous avons suivi in situ, grâce à la microtomographie X, les états de déformation interne d'un panneau d'isolation soumis à une sollicitation de compression transverse (33 % et 73 %). Le comportement particulier mis en lumière par l'accès à la déformation locale est relié à la très faible densité du matériau. En particulier, les fibres de bois ne sont pas individuellement mécaniquement comprimées et la déformation macroscopique du matériau n'engendre que leur réorganisation spatiale. Ces résultats sont mis en relation avec des caractéristiques morphologiques de structures évaluées par analyse d'image 3D.

International audience; In this work, we focus on a thermal insulating panel made of wood fibres. The making process is a non-woven fabric process that generates a high porosity and a very lowdensity material. Thermal properties were first investigated. This paper deals with mechanical properties that are involved in the production line, transport and handling in the construction site. An insulating panel was compressed (33% and 73%) and we followed insitu its internal deformation using X-ray microtomography. The results enlighten a special behaviour that is linked to the low-density structure of the panel. In particular, the fibres are not compressed and the macroscopic deformation of the sample generates only a new organisation of the fibres in the panel. These results are confirmed by morphological measurements that were performed by 3D image analysis.; On s'intéresse à des isolants thermiques à base de fibres de bois utilisés dans le bâtiment, de très forte porosité, élaborés par un procédé textile non tissé. Les propriétés thermiques ont fait l'objet des premières études et les propriétés mécaniques, intervenant lors du transport et de la manipulation, font l'objet de ce travail. Nous avons suivi in situ, grâce à la microtomographie X, les états de déformation interne d'un panneau d'isolation soumis à une sollicitation de compression transverse (33 % et 73 %). Le comportement particulier mis en lumière par l'accès à la déformation locale est relié à la très faible densité du matériau. En particulier, les fibres de bois ne sont pas individuellement mécaniquement comprimées et la déformation macroscopique du matériau n'engendre que leur réorganisation spatiale. Ces résultats sont mis en relation avec des caractéristiques morphologiques de structures évaluées par analyse d'image 3D.

On s’intéresse au comportement mécanique en compression des isolants thermiques à base de fibres de bois utilisés dans le bâtiment, de très forte porosité, élaborés par un procédé textile non tissé. Les états de la structure d'un panneau soumis à une sollicitation de compression transverse (33% et 73%) ont été suivsi en 3D par microtomographie X. Le comportement particulier mis en lumière par l'accès à la densification locale est relié à la très faible densité du matériau. En particulier, les fibres de bois ne sont pas individuellement mécaniquement comprimées et la déformation macroscopique du matériau n'engendre que leur réorganisation spatiale. Ces résultats sont mis en relation avec des caractéristiques morphologiques de structures évaluées par analyse d'image 3D., We focus on the mechanical behaviour of a thermal insulating panel made of wood fibres. The making process is a non-woven fabric process that generates a high porosity and a very low-density material. The 3D internal structure of a compressed (33% and 73%) insulating panel was followed by X-ray microtomography. The special behaviour is linked to the low-density structure of the panel. In particular, the fibres are not compressed and the macroscopic deformation of the sample only generates a new organisation of the fibres in the panel. These results are confirmed by morphological measurements that were performed by 3D image analysis.

On s’intéresse à des isolants thermiques à base de fibres de bois utilisés dans le bâtiment, de très forte porosité, élaborés par un procédé textile non tissé. Les propriétés thermiques ont fait l'objet des premières études et les propriétés mécaniques, intervenant lors du transport et de la manipulation, font l'objet de ce travail. Nous avons suivi in-situ, grâce à la microtomographie X, l'état de déformation interne d'un panneau d'isolation soumis à une sollicitation de compression transverse (33%). Le comportement particulier mis en lumière par l'accès à la déformation locale est relié à la très faible densité du matériau. En particulier, les fibres de bois ne sont pas comprimées et la déformation macroscopique du matériau n'engendre que leur réorganisation spatiale. Ces résultats sont mis en relation avec des caractéristiques morphologiques de structures évaluées par analyse d'image 3D., In this work, we focus on a thermal insulating panel made of wood fibres. The making process is a non-woven fabric process that generates a high porosity and a very lowdensity material. Thermal properties were first investigated. This paper deals with mechanical properties that are involved in the production line, transport and handling in the construction site. An insulating panel was compressed (33%) and we followed in-situ its internal deformation using X-ray microtomography. The results enlighten a special behavior that is linked to the low-density structure of the panel. In particular, the fibres are not compressed and the macroscopic deformation of the sample generates only a new organisation of the fibres in the panel. These results are confirmed by morphological measurements that were performed by 3D image analysis.

This work deals with the study of the thermomechanical behaviour of multilayered thermal insulation systems protecting subsea pipelines, used in the context of deep sea offshore exploitation (down to 3000 m water depth). The first step of this work consisted in obtaining experimental data on the thermal, mechanical and water diffusion behaviour of insulation materials, particularly of syntactic foams (polymer matrix reinforced with hollow glass microspheres), which are widely used in the thermal insulation of pipelines. The development of experimental tests on industrial multilayered coated structures under representative deep sea conditions (until 300 bar external hydrostatic pressure) represented one of the major aims of this work. The global heat transfer coefficient of the structure which is representative of the thermal performances of the multilayered structure has been determined for several thermal gradients, without and under hydrostatic pressure. Moreover, the study of the stationary and transient thermal states allowed the apparent thermal properties of the syntactic foam to be determined, first without additional pressure then under hydrostatic pressure. In parallel, numerical modelling of the thermomechanical behaviour of the industrial multilayered structure, based on the experimental data obtained at a "laboratory scale" on small samples, has been developed with the software Comsol Multiphysics®. This work underlined the importance of the mechanical stress on the damage evolution of the insulation material. The correlation between model prediction and experimental data obtained on structures has contributed to establishing the validity of the models., Ce travail s'inscrit dans le contexte de l'exploitation offshore par grande profondeur (jusqu'à 3000 mètres) et porte sur l'étude du comportement thermomécanique des systèmes multicouches d'isolation thermique protégeant les pipelines immergés. La première phase de ce travail a consisté à acquérir des données expérimentales sur le comportement thermique, mécanique et de diffusion d'eau des matériaux d'isolation, en particulier des mousses syntactiques (matrice polymère renforcée par des microsphères de verre creuses) largement utilisées dans l'isolation thermique de pipelines. La mise en place et la réalisation d'essais sur des structures industrielles isolées dans les conditions d'exploitation en grande profondeur (jusqu'à 300 bar de pression externe), ont constitué un des enjeux majeurs de ce travail. Le coefficient de transfert thermique global de la structure traduisant les performances d'isolation du système multicouches a été déterminé pour différents gradients thermiques, avec et sans pression hydrostatique. Par ailleurs, l'étude des régimes thermiques stationnaires et transitoires a permis de déterminer les propriétés thermiques apparentes de la mousse syntactique sans pression additionnelle puis sous pression hydrostatique. En parallèle, un modèle numérique du comportement thermomécanique de la structure industrielle multicouches, alimenté par la base de données «coupons» a été développé sous Comsol Multiphysics®. Ce travail a souligné l'importance des contraintes mécaniques sur l'évolution de l'endommagement du matériau d'isolation. Les résultats expérimentaux obtenus sur les structures industrielles ont permis de discuter la validité du modèle numérique.

Nanostructured materials have unique properties (high exchange areas, containment effect...) because of their very low characteristic dimensions. The elaboration way set up in this PhD work consists in applying the classical processes for the preparation of aerogel-like materials (combining sol-gel synthesis and CO2 supercritical extraction) to cellulosic polymers. This work is divided in four parts: a literature review, the presentation and the study of the chemical synthesis that leads to cellulose acetate-based aerogel, the characterizations (chemical, structural and thermal) of the elaborated nanomaterials, and finally the study of the first carbons that were obtained after pyrolysis of the organic matrix. The formulations and the sol-gel protocol lead to chemical gels by crosslinking cellulose acetate using a polyfunctionnal isocyanate. The dry materials obtained after solvent extraction with supercritical CO2 are nanostructured and mainly mesoporous. Correlations between chemical synthesis parameters (reagent concentrations, crosslinking rate and degree of polymerisation) and porous properties (density, porosity, pore size distribution) were highlighted thanks to structural characterizations. An ultraporous reference aerogel, with a density equals to 0,245 g .cm-3 together with a mesoporous volume of 3,40 cm3 .g-1 was elaborated. Once in granular shape, this material has a thermal conductivity of 0,029 W .m-1 .K-1. In addition, carbon materials produced after pyrolysis of the organic matrix and after grinding are nanostructured and nanoporous, even if important structural modifications have occurred during the carbonisation process. The elaborated materials are evaluated for applications in relation with energy such as thermal insulation (organic aerogels) but also for energy conversion and storage through electrochemical way (carbon aerogels).; Les matériaux nanostructurés ont des propriétés remarquables (surfaces d'échanges élevées, effet de confinement...) issues de leurs très faibles dimensions caractéristiques. La démarche mise en place dans le cadre de ces travaux de thèse consiste à transposer les procédés classiques d'élaboration des matériaux nanostructurés de type aérogel (combinant synthèse sol-gel et extraction au CO2 supercritique) à des précurseurs cellulosiques. Le travail a été subdivisé en quatre parties qui portent respectivement sur une étude approfondie de la bibliographie, la mise au point et l'étude des formulations chimiques conduisant à des aérogels à partir d'acétate de cellulose, les caractérisations (chimiques, structurales et thermiques) des matériaux nanostructurés élaborés, et finalement l'étude des premiers carbones obtenus par pyrolyse des matrices organiques. Les formulations et le protocole sol-gel conduisent à des gels chimiques par réticulation de l'acétate de cellulose à l'aide d'un isocyanate polyfonctionnel. Les aérogels obtenus après extraction du solvant au CO2 supercritique sont nanostructurés et essentiellement mésoporeux. Les caractérisations structurales ont notamment permis de dégager des corrélations entre les paramètres chimiques de la synthèse (concentration en réactifs, taux de réticulation, degré de polymérisation) et les propriétés poreuses des matériaux (densité, porosité, distribution de taille des pores). Un aérogel ultraporeux de référence, avec une masse volumique égale à 0,245 g .cm-3 et un volume mésoporeux de 3,40 cm3 .g-1 a ainsi été élaboré. Une fois mis sous forme divisée, il présente une conductivité thermique de 0,029 W .m-1 .K-1. D'autre part, les carbones obtenus après pyrolyse du réseau solide organique puis broyage sont nanostructurés et nanoporeux, malgré les nombreuses modifications structurales intervenant lors de l'étape de carbonisation. Les matériaux élaborés dans le cadre de cette thèse sont caractérisés et évalués pour des applications liées à l'énergétique telles que l'isolation thermique (aérogels organiques) mais également pour le stockage et la conversion d'énergie par voie électrochimique (aérogels de carbone).

Aerogel-like nanostructured materials present a wide set of potential application fields. Among these materials, silica aerogels are known in particular for their thermal super-insulation capability and their transparency in the visible range. Their integration in double-glazing should offer an energetic gain in the building sector, especially through the reduction of heat consumption. For such an application, silica gels synthesised through a sol-gel process, should be dried supercritically in order to obtain large dimensions transparent and monolithic aerogel sheets. This thesis work aims to contribute to the amelioration of the supercritical CO2 drying process efficacity while focusing particularly on the supercritical CO2 washing phase. The phenomena occurring during this phase were studied by coupling experimental and theoretical approaches. The experimental approach is based on the instrumentation of a drying system and notably the implementation of an analysis loop. This metrological tool makes it possible to monitor on line the degree of advancement of the washing phase. The theoretical approach is based on an analytical model coupling diffusion phenomena through the nanoporosity of the gels and mass transfer phenomena in the autoclave. This double approach has allowed firstly to quantify the diffusion phenomena in reference experimental conditions. The effective diffusion coefficient of a model gel nanostructure was so determined. A first estimation of the washing phase duration was also obtained. Secondly, the influence of the variation of silica aerogel nanostructure on the diffusion phenomena was studied. The obtained results have led to a first correlation between the materials permeability and the effective diffusion coefficient. This study has also underlined the interest of an aging treatment by dissolution-reprecipitation phenomena prior to drying in order to shorten the supercritical washing phase duration.; Les matériaux nanostructurés de type aérogels présentent des domaines d'applications potentielles très variés. Parmi ces matériaux, les aérogels de silice sont connus, notamment, pour leurs propriétés thermiques super-isolantes et leur transparence dans le domaine visible. Leur intégration au sein de double vitrage peut ainsi permettre d'envisager un gain énergétique dans le secteur du bâtiment, notamment au travers de la réduction des charges de chauffage. Pour une telle application, les gels de silice synthétisés par procédé sol-gel, doivent être séchés par voie supercritique afin d'obtenir des aérogels sous forme de blocs monolithiques transparents de grandes dimensions. L'objectif de ce travail de thèse est de contribuer à l'amélioration de l'efficacité du procédé de séchage dans les conditions du CO2 supercritique en s'attachant tout particulièrement à la phase de lavage au CO2 supercritique. Les phénomènes mis en jeu lors de cette phase ont été étudiés en couplant une approche expérimentale et une approche théorique. L'approche expérimentale repose sur l'instrumentation d'un banc de séchage notamment en implémentant une boucle d'analyse. Cet outil métrologique a permis de suivre en ligne le degré d'avancement de la phase de lavage. L'approche théorique repose sur l'utilisation d'un modèle analytique couplant les phénomènes de diffusion à travers la nanoporosité des gels et les phénomènes de transfert de masse dans l'autoclave. Cette double approche a permis dans un premier temps de quantifier les phénomènes de diffusion dans des conditions expérimentales de référence. Le coefficient de diffusion effectif d'une nanostructure modèle de gels de silice a été ainsi déterminé. Une première estimation de la durée de la phase de lavage a également été obtenue. Dans un second temps, l'influence de la variation de la nanostructure des aérogels de silice sur les phénomènes de diffusion a été étudiée. Les résultats obtenus ont permis d'aboutir à une première corrélation entre la perméabilité des matériaux et le coefficient de diffusion effectif. Cette étude a également souligné l'intérêt d'un traitement de vieillissement des gels par phénomènes de dissolution-reprécipitation préalablement au séchage en vue d'écourter la durée de la phase de lavage supercritique.

Aerogel-like nanostructured materials present a wide set of potential application fields. Among these materials, silica aerogels are known in particular for their thermal super-insulation capability and their transparency in the visible range. Their integration in double-glazing should offer an energetic gain in the building sector, especially through the reduction of heat consumption. For such an application, silica gels synthesised through a sol-gel process, should be dried supercritically in order to obtain large dimensions transparent and monolithic aerogel sheets. This thesis work aims to contribute to the amelioration of the supercritical CO2 drying process efficacity while focusing particularly on the supercritical CO2 washing phase. The phenomena occurring during this phase were studied by coupling experimental and theoretical approaches. The experimental approach is based on the instrumentation of a drying system and notably the implementation of an analysis loop. This metrological tool makes it possible to monitor on line the degree of advancement of the washing phase. The theoretical approach is based on an analytical model coupling diffusion phenomena through the nanoporosity of the gels and mass transfer phenomena in the autoclave. This double approach has allowed firstly to quantify the diffusion phenomena in reference experimental conditions. The effective diffusion coefficient of a model gel nanostructure was so determined. A first estimation of the washing phase duration was also obtained. Secondly, the influence of the variation of silica aerogel nanostructure on the diffusion phenomena was studied. The obtained results have led to a first correlation between the materials permeability and the effective diffusion coefficient. This study has also underlined the interest of an aging treatment by dissolution-reprecipitation phenomena prior to drying in order to shorten the supercritical washing phase duration.; Les matériaux nanostructurés de type aérogels présentent des domaines d'applications potentielles très variés. Parmi ces matériaux, les aérogels de silice sont connus, notamment, pour leurs propriétés thermiques super-isolantes et leur transparence dans le domaine visible. Leur intégration au sein de double vitrage peut ainsi permettre d'envisager un gain énergétique dans le secteur du bâtiment, notamment au travers de la réduction des charges de chauffage. Pour une telle application, les gels de silice synthétisés par procédé sol-gel, doivent être séchés par voie supercritique afin d'obtenir des aérogels sous forme de blocs monolithiques transparents de grandes dimensions. L'objectif de ce travail de thèse est de contribuer à l'amélioration de l'efficacité du procédé de séchage dans les conditions du CO2 supercritique en s'attachant tout particulièrement à la phase de lavage au CO2 supercritique. Les phénomènes mis en jeu lors de cette phase ont été étudiés en couplant une approche expérimentale et une approche théorique. L'approche expérimentale repose sur l'instrumentation d'un banc de séchage notamment en implémentant une boucle d'analyse. Cet outil métrologique a permis de suivre en ligne le degré d'avancement de la phase de lavage. L'approche théorique repose sur l'utilisation d'un modèle analytique couplant les phénomènes de diffusion à travers la nanoporosité des gels et les phénomènes de transfert de masse dans l'autoclave. Cette double approche a permis dans un premier temps de quantifier les phénomènes de diffusion dans des conditions expérimentales de référence. Le coefficient de diffusion effectif d'une nanostructure modèle de gels de silice a été ainsi déterminé. Une première estimation de la durée de la phase de lavage a également été obtenue. Dans un second temps, l'influence de la variation de la nanostructure des aérogels de silice sur les phénomènes de diffusion a été étudiée. Les résultats obtenus ont permis d'aboutir à une première corrélation entre la perméabilité des matériaux et le coefficient de diffusion effectif. Cette étude a également souligné l'intérêt d'un traitement de vieillissement des gels par phénomènes de dissolution-reprécipitation préalablement au séchage en vue d'écourter la durée de la phase de lavage supercritique.