Finite element modeling and experimental approach of gas transport in polymer-based multimaterials and complex systems

Le contrôle des propriétés de transport de gaz à travers les membranes polymères denses constitue aujourd'hui un enjeu important pour différentes applications, que ce soit pour les domaines liés aux propriétés barrière que pour la séparation des gaz. L'optimisation de telles propriétés nécessite souvent l'ajout de nano-charges à propriétés spécifiques dans la matrice polymère. Selon leur composition et structure, ces charges peuvent constituer soit un obstacle à la diffusion ou au contraire faciliter le transport de petites molécules. Ces types de systèmes ont été étudiés dans la littérature de manière expérimentale ainsi que numériquement en considérant le plus souvent des systèmes à deux dimensions idéaux. Dans les études menées dans le cadre de cette thèse, nous cherchons à développer un modèle numérique en 3 dimensions afin de prédire et discuter des propriétés de transport des systèmes multiphasiques à base de polymères en fonction de divers paramètres ainsi que déterminer les principaux facteurs qui régissent ces propriétés. La diffusion des gaz dans les nanocomposites pour application barrière (phase continue polymère avec dispersion de charges imperméables) et l'influence des paramètres structuraux des charges sur les propriétés finales du système ont été étudiées dans la première partie de cette thèse par une approche numérique basée sur la méthode des éléments finis. Le modèle obtenu est valable dans une large gamme de valeurs de fractions volumiques de charges ainsi que de facteurs de forme, ce qui permet de passer de régimes dilués aux régimes concentrés. En outre, la complexité des systèmes (interphase charge/matrice, possibilité de formation d’agrégats, poly-dispersion de la taille des charges et leur distribution spatiale…) a été prise en compte dans notre modèle. Dans un deuxième temps, les propriétés de systèmes multiphasiques à base de polymères spécialement développés pour la séparation gazeuse sont étudiées dans ce travail. Une démarche expérimentale incrémentale permet de combiner la matrice polymère, un liquide ionique et une charge perméable pour optimiser les propriétés de fonction. Une des originalités de ce travail consiste à étudier les propriétés de séparation des gaz de tels systèmes expérimentalement ainsi que numériquement en utilisant un modèle développé spécifiquementControlling gas transport properties through polymeric membranes remains today an important parameter for different applications including barrier and gas separation applications. The optimization of such properties requires the addition of nano-fillers in the polymer matrix. Their presence is either an obstacle or a preferential path for the diffusing molecules. These systems have been studied in the literature experimentally as well as by modeling, most often considering ideal two-dimensional systems. In this thesis, we seek to develop a 3-dimensional numerical model in order to predict and analyze the barrier and separation properties of multiphase polymer-based systems taking into account various parameters, as well as to evidence the most important factors governing these properties. Gas diffusion in nanocomposites (polymer matrix phase with the dispersion of impermeable fillers) and the influence of fillers structural parameters on the final properties of the system were studied in the first part of this thesis through a numerical approach based on the Finite Element Method. The obtained model is valid for a wide range of fillers volume fraction values as well as aspect ratios, which makes it possible to consider diluted regimes as well as concentrated regimes. Furthermore, relationships between the system structure (presence of interphase layer/ aggregates, filler size polydispersity and spatial distribution) and the desired properties are investigated. As a second step of this work, gas separation properties of different multiphase polymer-based systems are studied. We considered two- and three- component systems composed essentially of polymer, ionic liquid and permeable fillers. The specificity of this work consists in the investigation of gas separation properties of such systems experimentally and numerically using the model developed in the first part and considering permeable filler