Polymer crystallization studies by computer simulation

par Thomas Vettorel

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jörg Baschnagel.

Soutenue en 2005

à l'Université Louis Pasteur (Strasbourg) .

  • Titre traduit

    Etude de la cristallisation des polymères par simulation numérique


  • Résumé

    Les polymères semi-cristallins sont des systèmes d'un grand intérêt industriel de par leur très nombreuses applications, et constituent également un riche sujet d'étude du fait de la complexité des structures formées au cours de la cristallisation, ainsi que des mécanismes à l'œuvre lors de celle-ci. Nous avons étudié la cristallisation des polymères par simulation numérique de plusieurs façons différentes : des simulations détaillées à l'échelle atomique nous ont permis de reproduire la structure cristalline de chaînes courtes d'alcanes à basse température, dont la simulation lors d'un réchauffement permet de retrouver une phase transitoire bien caractérisée expérimentalement. Le même modèle a été utilisé pour simuler le processus de cristallisation à partir du fondu au cours d'un refroidissement; ce type de simulations réaliste ne permet pas de reproduire des structures cristallines en un temps de simulation restreint. Afin de pouvoir reproduire efficacement des structures semi-cristallines aux caractéristiques réalistes, nous avons utilisé un autre type de simulations numériques nous permettant de considérer des échelles de longueur et de temps plus importantes : ce modèle coarse-grained a permis d'étudier le phénomène de cristallisation en détail, à l'aide de différents paramètres d'ordre caractérisant le cristal et son évolution au cours du temps. Nous avons aussi procédé à une étude détaillée des facteurs de structure du fondu de polymères à haute température de manière à déterminer quelle est l'influence de la structure du liquide sur la formation du cristal. Ces différentes études permettent une meilleure compréhension de l'influence sur le phénomène de cristallisation des différents paramètres utilisés dans la définition des modèles de simulation numérique.


  • Résumé

    Semi-crystalline polymers are of great interest for industrial purposes, and the complex structures they involve as well as the mechanisms leading to the formation of crystals make their study very challenging. We investigated polymer crystallization by computer simulation via different methods: An atomisticly detailed model was used to reproduce the crystalline structure of short alkanes at low temperature, and continuous heating simulations gave rise to a transient phase that is well characterized in experiments. The same realistic model was used to simulate continuous cooling of the melt, but could not yield crystalline structures in a limited simulation time. In order to reproduce efficiently the characteristic features of semi-crystalline polymers, we used another simulation model which addresses larger length and time scales: This coarse-grained model allowed us to study the crystallization phenomenon in detail with several order parameters to characterize the crystal and its time evolution. The detailed study of the structure factors of the high-temperature melt has also been investigated so as to determine the influence of the liquid phase structure on crystal formation. These different studies yield a better understanding of the influence on crystallization of the various parameters entering the definitions of the simulation models.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XVIII-189 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 183-189

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Blaise Pascal.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2005;4850
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