Actionneur à base de polymères conducteurs présentant une déformation linéaire à l’air et compatible avec un environnement spatial

Actuators based on conducting polymers with a linear deformation in open air and compatible with a space environment

• Auteur / Autrice : Adelyne Fannir
• Direction : Frédéric Vidal, Cédric Plesse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Cergy
• Date : Soutenance le 16/06/2017
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physico-chimie des polymères et des interfaces (Cergy-Pontoise, Val d'Oise) - Laboratoire de Physico-chimie des Polymères et des Interfaces / LPPI
• Jury : Président / Présidente : Hyacinthe Randriamahazaka
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Vidal, Cédric Plesse, Tran Minh Giao Nguyen, Eric Cattan, Lise Trouillet-Fonti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Poulin, Christian Bergaud

Mots clés

Mots clés libres

Actionneur

Linéaire

Polymères

Actuator

Linear

Polymeres

Résumé

Ces travaux de thèse s’intéressent à la conception et à la mise en forme d’actionneurs à base de polymères conducteurs électroniques dans l’optique d’un actionnement linéaire à l’air pour une application spatiale. Actuellement, et alors que certaines problématiques récurrentes de légèreté, de flexibilité et de robustesse peuvent être résolues par ces actionneurs, des limitations restreignent encore leurs utilisations dans un environnement spatial pour une déformation linéaire.En premier lieu, nos matériaux composés de réseaux interpénétrés de polymères (RIP) poly (oxyde d’éthylène) (PEO), caoutchouc nitrile (NBR) et de polymère conducteur électronique (PCE) (poly (3,4-éthylènedioxythiophène)) (PEDOT) sont décrits et les différentes caractérisations mécaniques, microscopiques et électrochimiques traditionnelles sont expliquées. Des caractérisations plus spécifiques à un actionnement linéaire ont également été développées.Une étude sur la compatibilité d’actionneurs à base de RIP NBR/PEO et de PEDOT avec un environnement spatial a été réalisée en partenariat avec le CNES. Les conditions auxquelles les échantillons ont été exposés pour simuler un environnement spatial sont des variations de températures importantes, un vide poussé et des radiations gamma. Cette étude a été réalisée sur des actionneurs classiques dont la synthèse et les méthodes de caractérisation sont maîtrisées.Par la suite, nous nous sommes intéressé à la conception d’un actionneur basé sur les mêmes composants qu’un actionneur classique mais permettant une déformation linéaire. Pour cela, un modèle électromécanique a été élaboré en collaboration avec le Pr J. Madden (Vancouver, Canada). Ce modèle permet de déterminer une géométrie adaptée à un actionnement linéaire et d’en optimiser les performances. Un prototype d’actionneur linéaire a donc été synthétisé sur la base de ce modèle.Enfin, la dernière partie a été dédiée à une amélioration des performances de l’actionneur en modifiant la voie de synthèse du PCE. L’électropolymérisation permet en effet de contrôler le type de PCE déposé, sa morphologie ou encore sa quantité. Différents actionneurs à géométrie classique ont alors été réalisés avec du PEDOT électrochimique puis caractérisés. Ces actionneurs ont ensuite été considéré comme candidat potentiel pour constituer une ou plusieurs électrodes de l’actionneur linéaire.

This PhD work deals with the conception and shaping of actuators based on electronic conductive polymers for a linear actuation in open air with an application in space field. Currently, while some recurrent problems of lightness, flexibility and robustness can be resolved by these actuators, limitations still restrict their use in a spatial field providing a linear motion.First, our materials composed of interpenetrating polymer networks (IPN) poly (ethylene oxide) (PEO), nitrile butadiene rubber (NBR) and electronically conductive polymer (ECP) (poly (3,4-ethylenedioxythiophene)) (PEDOT) are described and several mechanical, microscopic and electrochemical characterizations are explained. More particular characterizations have been developed for linear actuators.A study about PEO/NBR/PEDOT based actuator compatibility with space environment have been carried out in partnership with CNES. Samples have been exposed to high temperature variations, a strong vacuum, and gamma radiations to simulate space conditions. This study has been carried out on usual actuator, whose synthesis and characterization technics are mastered.Afterward, the conception of an actuator based on the same compounds as a usual actuator but with linear motion has been studied. To do so, an electromechanical model has been developed with the collaboration of Pr. J. Madden (Vancouver, Canada). This model allows us to determine an adapted geometry for linear motion and to optimize the actuator’s performances. Thus, a prototype of linear actuator has been synthesized based on this model.The last part was dedicated to the improvement of the actuator performances by changing the synthesis of the ECP. Electropolymerization allows us to control what type of ECP is deposited, the morphology or the amount. Several actuators with a usual geometry have been synthesized with electrochemical PEDOT and then they have been characterized. Afterward, those actuators have been used in the model to be part of the potential candidate for the making of a linear actuator.