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This PhD work focuses on the study of the phenomenon of impact electrification of glass beads in contact with various polymer materials. Despite being a sensitive aspect of many industrial processes, triboelectric charging still remains an impredictible and poorly understood phenomenon as soon as it involves dielectric materials. To bring a new contribution to the comprehension of the subject, this document reports the development and use of an experimental device measuring the electrostatic charge acquired by a bead during a unique impact with a dielectric target. The experimental device is first described in details, from conception decisions to the final experimental protocol. The triboelectric behavior of glass against targets made out of two different polymer materials, polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyurethane (PU), is then studied through measurement campaigns designed to analyze the effect of important parameters divided in two categories: the impact mechanical parameters on one hand, and chemical and environmental parameters on the other hand. In the first part, the respective importance of the normal and tangential components of the bead velocity with respect to the target in triboelectric charging are analyzed for both materials. In addition to the validation of the generality of some previous experimental results in literature, the observed data also shows the importance of relaxation charge mechanisms such as electric discharges after separation in the triboelectric charging of PU. Studies on different diameter beads and other target materials have also been carried out to investigate the subject further. In the second part, an analysis of the bead surface conditions is first conducted through the chemical preconditioning of the beads used to provide a reference state. Measurement campaigns on the effects of relative humidity and temperature over impact triboelectric charging are then presented. To conclude, the effects of chemical additives placed at the surface of the beads are investigated in different humidity configurations.; Ce travail de thèse porte sur l’étude du phénomène d’électrisation par impact de billes de verre en contact avec divers matériaux polymères. Bien qu’étant un phénomène sensible dans de nombreux procédés industriels, le chargement triboélectrique reste un phénomène imprédictible et mal compris dès lors qu’il implique des matériaux diélectriques. Pour apporter une contribution à la compréhension de ce sujet, ce manuscrit rapporte le développement et l’utilisation d’un dispositif expérimental permettant la mesure de la charge électrostatique acquise par une bille au cours d’un impact unique avec une cible diélectrique.Le dispositif expérimental est décrit en détails dans un premier temps, depuis les choix de conceptions jusqu’au protocole expérimental final mis en place. Le comportement triboélectrique du verre contre des cibles en polymères de deux matériaux différents, le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et le polyuréthane (PU), est ensuite étudié à travers des campagnes de mesures portant deux catégories de paramètres : les paramètres mécaniques de l’impact d’une part, et les paramètres chimiques et environnementaux d’autre part. Dans cette première partie, l’importance respective de la composante normale et tangentielle de la vitesse de la bille par rapport au repère de la cible dans le chargement triboélectrique sont analysées pour les deux matériaux. En plus de valider la généralité de certains résultats expérimentaux de la littérature scientifique, les données observées permettent également de mettre en évidence l’importance des mécanismes de relaxation de charges par décharge électrique après séparation dans le chargement triboélectrique du PU. Des études sur des billes de plusieurs diamètres et sur d’autres matériaux de cibles ont été utilisés en complément pour permettre une discussion approfondie du sujet. Dans la deuxième partie, une analyse des conditions de surface des billes est d’abord réalisée à travers le protocole de préconditionnement chimique utilisé pour obtenir un état de référence. Des campagnes de mesures réalisées pour analyser les effets de l’humidité relative et de la température sur le chargement triboélectrique par impact sont ensuite présentées. Pour finir, les effets d’additifs chimiques placés en surface des billes de verre sont étudiés dans plusieurs configurations d’humidité.

This PhD work focuses on the study of the phenomenon of impact electrification of glass beads in contact with various polymer materials. Despite being a sensitive aspect of many industrial processes, triboelectric charging still remains an impredictible and poorly understood phenomenon as soon as it involves dielectric materials. To bring a new contribution to the comprehension of the subject, this document reports the development and use of an experimental device measuring the electrostatic charge acquired by a bead during a unique impact with a dielectric target. The experimental device is first described in details, from conception decisions to the final experimental protocol. The triboelectric behavior of glass against targets made out of two different polymer materials, polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyurethane (PU), is then studied through measurement campaigns designed to analyze the effect of important parameters divided in two categories: the impact mechanical parameters on one hand, and chemical and environmental parameters on the other hand. In the first part, the respective importance of the normal and tangential components of the bead velocity with respect to the target in triboelectric charging are analyzed for both materials. In addition to the validation of the generality of some previous experimental results in literature, the observed data also shows the importance of relaxation charge mechanisms such as electric discharges after separation in the triboelectric charging of PU. Studies on different diameter beads and other target materials have also been carried out to investigate the subject further. In the second part, an analysis of the bead surface conditions is first conducted through the chemical preconditioning of the beads used to provide a reference state. Measurement campaigns on the effects of relative humidity and temperature over impact triboelectric charging are then presented. To conclude, the effects of chemical additives placed at the surface of the beads are investigated in different humidity configurations.; Ce travail de thèse porte sur l’étude du phénomène d’électrisation par impact de billes de verre en contact avec divers matériaux polymères. Bien qu’étant un phénomène sensible dans de nombreux procédés industriels, le chargement triboélectrique reste un phénomène imprédictible et mal compris dès lors qu’il implique des matériaux diélectriques. Pour apporter une contribution à la compréhension de ce sujet, ce manuscrit rapporte le développement et l’utilisation d’un dispositif expérimental permettant la mesure de la charge électrostatique acquise par une bille au cours d’un impact unique avec une cible diélectrique.Le dispositif expérimental est décrit en détails dans un premier temps, depuis les choix de conceptions jusqu’au protocole expérimental final mis en place. Le comportement triboélectrique du verre contre des cibles en polymères de deux matériaux différents, le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et le polyuréthane (PU), est ensuite étudié à travers des campagnes de mesures portant deux catégories de paramètres : les paramètres mécaniques de l’impact d’une part, et les paramètres chimiques et environnementaux d’autre part. Dans cette première partie, l’importance respective de la composante normale et tangentielle de la vitesse de la bille par rapport au repère de la cible dans le chargement triboélectrique sont analysées pour les deux matériaux. En plus de valider la généralité de certains résultats expérimentaux de la littérature scientifique, les données observées permettent également de mettre en évidence l’importance des mécanismes de relaxation de charges par décharge électrique après séparation dans le chargement triboélectrique du PU. Des études sur des billes de plusieurs diamètres et sur d’autres matériaux de cibles ont été utilisés en complément pour permettre une discussion approfondie du sujet. Dans la deuxième partie, une analyse des conditions de surface des billes est d’abord réalisée à travers le protocole de préconditionnement chimique utilisé pour obtenir un état de référence. Des campagnes de mesures réalisées pour analyser les effets de l’humidité relative et de la température sur le chargement triboélectrique par impact sont ensuite présentées. Pour finir, les effets d’additifs chimiques placés en surface des billes de verre sont étudiés dans plusieurs configurations d’humidité.

Biporous polymeric materials are widely used in many applications as scaffolds for tissue engineering or model materials that mimick porous medium as rocks and soils. The role of each porosity level on the transport properties of such porous frameworks is crucial. This study highlights the design and thorough physico-chemical characterization of model polymeric materials exhibiting two levels of porosity. Model biporous poly (2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA) materials were prepared by using two macroporogenic agent, i.e. NaCl particles, and a solvent. To this purpose, sieved NaCl particles of different size ranges were used, either sintered or non-fused, in conjunction with a porogenic solvent. The resulting biporous polymeric materials were finely characterized in terms of porosity by scanning electron microscopy (SEM) and mercury intrusion porosimetry (MIP). A porous network with pore sizes ranging from 10 nm to 10 µm was obtained, while larger pores had an average diameter of about 100 µm. A careful X-ray computed and synchrotron microtomography analysis of the 3-D microstructure and pores interconnectivity of porous materials were also performed. The optimization of experimental parameters (voxel size, energies involved) allowed to obtain high-resolution images. Some slices were then selected to compute a fluid flow through biporous 2-D and 3-D porous media. Such networks having at least three scales, namely the characteristic scales of the two porosity levels and the macroscopic scale, a double upscaling approach has been developed. The methodology was based on the Fast Fourier Transform (FFT). The use of the Brinkman equation combined the Stokes and Darcy equations and allowed the computation of a macroscopic permeability, RésuméLes matériaux polymères biporeux interviennent dans diverses applications en tant que scaffolds pour l’ingénierie tissulaire, ou matériaux modèles mimant des milieux poreux tels que les roches et les sols. Le rôle de chaque niveau de porosité sur les propriétés de transport de ces milieux demeure une question fondamentale. Dans ce contexte, une démarche alliant conception et caractérisation physico-chimique de matériaux polymères à deux niveaux de porosité a été développée. Des réseaux biporeux modèles à base de poly(méthacrylate de 2-hydroxyethyle) ont ainsi été conçus en utilisant deux types de gabarits comme porogènes : des particules de NaCl (frittées ou non ) générant le premier niveau de porosité et un solvant générant le deuxième. Une caractérisation structurale et morphologique a été réalisée par microscopie électronique à balayage (MEB) et porosimétrie à intrusion de mercure (MIP) afin d’étudier l’influence des agents porogènes sur la structure. Un réseau présentant deux distributions de tailles de pores comprises entre 10 nm et 10 µm et de 100 µm de diamètre ont été observées. Pour décrire plus finement la microstructure, notamment la forme réelle des pores et l’interconnectivité des réseaux, des analyses par microtomographie à rayons X et au synchrotron ont été réalisées. L’optimisation des paramètres expérimentaux (taille du voxel, énergies mises en jeu) a permis d’obtenir des images de haute résolution. Certaines coupes ont été sélectionnées pour la simulation de l’écoulement d’un fluide dans un milieu biporeux bi- ou tridimensionnel. Les milieux poreux étudiés comportant au moins trois échelles, à savoir les échelles caractéristiques de deux niveaux de porosité et l’échelle macroscopique, une démarche par double changement d’échelle a été élaborée. Les approches envisagées reposent sur la transformée de Fourier rapide (FFT). L’utilisation de l’équation de Brinkman a permis de combiner les équations de Stokes et Darcy et de déterminer une perméabilité macroscopique

Among biomass components, lignin is considered one of the most promising natural polymers suitable for the conversion of biomass into renewable added-value chemicals and materials. However, large amount of lignin generated from wood pulping industry is burn as low cost energy source, and only 2% is exploited in the chemical industry. The presence of sulphur moieties and the large molecular diversity are the most reasons impeding the use of lignin as building blocks for the production of chemicals and materials. Chemical modifications have been acknowledged to be an important tool to circumvent these limitations. In the current work, taking advantage of the high hydroxyl groups content of a sulphur free soda lignin (SL), different synthetic strategies have been applied to introduce new chemical groups and used either to produce lignin derivatives suitable for “click” polymerization either to increase lignin hydrophobicity, facilitating its processing in polymeric matrices.; Parmi les composants de la biomasse, la lignine est considérée comme l'un des plus prometteurs polymères naturels qui convient à la conversion de la biomasse en valable produits chimiques et matériaux. Malgré une grande quantité de lignine est générée dans l'industrie papetière, seule 2% est exploitée dans l'industrie chimique. La présence de soufre et la grande diversité moléculaire sont les principaux obstacles pour l'utilisation de la lignine. La modification chimique a été reconnue comme un outil pour contourner ces limites. Dans cette thèse, différentes stratégies de synthèse ont été appliquées pour introduire de nouveaux groupes chimiques sur une soude lignine que présents une haute fonctionnalisation de groups hydroxyles. Les dérivés correspondants de lignine ont été utilisés soit pour l’élaboration des matériaux par click polymérisations, soit pour augmenter l’hydrophobicité de la lignine à la fine de faciliter son traitement avec des matrices polymériques.

Charge injection phenomenon in electrically insulating polymers and the resultant electric field distortion remain obstacles to the development of cables for electrical energy transport under high voltage direct current (HVDC). Routes to solve the problem are most often looked for by acting on the material formulation, polyethylene in the present case. As alternative route, we explore in this thesis the possibility to develop a barrier layer allowing fine control of the charge injection in low density polyethylene (LDPE) films. The proposed and further studied solution is to tailor the surface of the polymer film by introducing metallic nanoparticles that would act as deep traps and would produce field screening, thus controlling charge injection. To achieve this, silver nanoparticles (AgNPs) are deposited on the LDPE and covered by a thin organosilicon layers of the type SiOxCy:H. The nanocomposite layer with total thickness of about 50 nm is elaborated in a plasma process. The AgNPs are obtained by sputtering of a silver target and the organosilicon matrix is then deposited in a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The deposition process is realized in the same reactor in the plasma of an asymmetric RF capacitively coupled discharge maintained at 13.56 MHz at low gas pressure. The obtained characteristics for the AgNPs are for their mean size, density and dispersion. The physico-chemical and structural analyses of the nanocomposite layer allowed identifying the plasma operating conditions to control the AgNPs properties. From the evaluation of the efficiency of the AgNPs/organosilicon stack against charge injection, a detailed description of the required properties of the nanocomposite layer for the control of the charge injection phenomenon was derived. The behaviour of the studied structure, nanocomposite layer deposited on the surface of LDPE film, under electrical stress was studied by space charge measurement through the Pulsed Electro-Acoustic (PEA) method, current and surface potential decay measurements. The obtained results show that tailoring the surface of polyethylene film by very thin nanocomposite layer containing AgNPs embedded at a controlled distance from the free surface of the organosilicon matrix permits suppression of charges injection in LDPE films. The impact of nanocomposite layer structure on the efficiency of the barrier effect was evaluated. The mitigation effect is observed up to the typical service electric field for HVDC applications. This study presents a proof-of-concept and opens the way for interface tailoring to control the charge injection in electrically insulating polymers.; Le phénomène d'injection de charges dans des isolants synthétiques et la distorsion du champ électrique qui en découlent représentent un frein au développement des câbles pour le transport d'énergie électrique sous haute tension continue (HVDC). Les solutions au problème sont le plus souvent recherchées en influant sur la formulation des matériaux, en l'occurrence le polyéthylène. La voie explorée dans cette thèse est une alternative consistant à créer une barrière permettant le contrôle de l'injection de charges dans un film de polyéthylène basse densité (LDPE) sous contrainte électrique. La solution proposée et étudiée consiste à modifier la surface du film polymère en y insérant des nanoparticules métalliques, susceptibles de jouer le rôle de pièges profonds et d'écranter le champ électrique, contrôlant ainsi l'injection. Pour cela, des nanoparticules d'argent (NPs d'Ag) sont déposées et recouvertes d'une matrice semi-isolante organosiliciée de type SiOxCy:H. La couche mince nanocomposite est élaborée par procédé plasma. Son épaisseur totale est d'environ 50 nm. Les nanoparticules sont obtenues par pulvérisation cathodique et la matrice environnante est réalisée avec un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Le procédé d'élaboration est mis en œuvre dans le même réacteur en utilisant une décharge asymétrique RF à couplage capacitif entretenue à 13.56 MHz à basse pression du gaz. Une étude de l'influence des conditions opératoires du plasma sur les caractéristiques des NPs d'Ag et sur la matrice environnante a été réalisée. Les caractéristiques définies des NPs d'Ag sont la densité, la taille moyenne et la dispersion des nanoparticules. Les analyses physico-chimiques et structurales de la couche nanocomposite ont permis de valider la maîtrise de la formation des nanoparticules et de ses propriétés. L'évaluation de l'efficacité du dépôt a permis de définir les caractéristiques essentielles pour un contrôle des phénomènes d'injection de charges. Les analyses du comportement de l'ensemble étudié sous contrainte électrique ont été obtenues par des mesures de distribution de charges d'espace par méthode électroacoustique, de courant et de potentiel de surface. Les résultats montrent que la modification de la surface d'un film polymère par une couche mince nanocomposite contenant des NPs d'Ag enterrées à une profondeur contrôlée de la surface de la matrice organosiliciée permet le contrôle parfait de l'injection de charge dans un film de LPDE sous des niveaux de champ électrique usuels pour les applications HVDC. L'impact des caractéristiques de la couche nanocomposite sur l'efficacité du procédé a été évalué. Cette étude prouve le concept et ouvre la voie de la maîtrise des interfaces pour le contrôle de l'injection de charges dans des isolants polymères.