Architectures d’assemblages mousse-fibres : des systèmes liquides aux matériaux polymères hiérarchiques

Architectures of foam-fibre assemblies : from liquid systems to polymeric hierarchical materials

• Auteur / Autrice : Manon Jouanlanne
• Direction : Jean Farago, Aurélie Hourlier-Fargette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Sadron (Strasbourg ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Charitat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simon Cox
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Le Merrer, Christophe Raufaste

Mots clés

Mots clés contrôlés

Formulation (génie chimique)

Composites

Mousses (matériaux)

Mots clés libres

Mousse

Alginate

Polyuréthane

Elastocapillarité

Composite

Tomographie RX

Foam

Alginate

Polyurethane

Elastocapillarity

Composite

X-Ray tomography

Résumé

L'objectif de cette thèse est de créer de nouveaux matériaux en modifiant la géométrie et la topologie des mousses (forme, taille et connexion des bulles) par l’introduction de fibres. La première partie de la thèse s’intéresse à une expérience modèle permettant la quantification des formes d’équilibre de systèmes mousse liquide/lamelle élastique, avec un excellent accord entre théorie et expériences, et mettant en lumière la compétition entre élasticité et capillarité. La deuxième partie de la thèse développe l’élaboration de mousses solides à partir d’un précurseur liquide, formées grâce à une méthode de bullage au travers de canules. Les fibres sont ensuite introduites dans les mousses à l’état liquide, c’est-à-dire en permettant aux bulles et aux fibres de s’organiser spontanément avant l’étape de solidification. Différentes formulations ont été étudiées, en se focalisant sur des mousses d'hydrogel d'alginate et des mousses de polyuréthane. Enfin, la troisième partie de la thèse analyse l’impact des fibres rigides et ordonnées sur la modification structurelle des mousses. Un protocole de caractérisation a été développé à partir d’images tomographiques à rayon X. L’ensemble de ces travaux montre qu’en sélectionnant la technique de moussage, la formulation du matériau constitutif de la mousse et la géométrie des fibres, il est possible de réaliser des matériaux composites qui possèdent des structures uniques, considérablement modifiées par l’inclusion de fibres et prometteuses en termes de propriétés mécaniques.

The aim of this thesis is to create new materials by modifying the geometry and topology of foams (shape, size and connection of bubbles) through the introduction of fibres. The first part of the thesisfocuses on a model experiment enabling the quantification of the equilibrium forms of foam/elastic ribbon systems, with excellent agreement between theory and experiment, and highlighting the competition between elasticity and capillarity. The second part of the thesis develops the elaborationof solid foams from a liquid precursor, formed using a bubbling through nozzles. The fibres are thenintroduced into the foams in the liquid state, i.e., allowing the bubbles and fibres to organise themselves spontaneously before the solidification stage. Different formulations were studied, focusing on alginate hydrogel and polyurethane foams. Finally, the third part of the thesis analyses the impact of rigid and ordered fibres on the structural modification of foams. A characterisation protocol was developed using X-ray tomographic images. All this work shows that by selecting the foaming technique, the formulation of the foam constitutive material and the geometry of the fibres, it is possible to produce composite materials with unique structures, considerably modified by the inclusion of fibres and promising in terms of mechanical properties.