Nano-structuration sous contraintes de polyuréthanes segmentés thermoplastiques

par Élise Mourier

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de René Fulchiron et de Françoise Mechin.

Soutenue le 09-12-2009

à Lyon 1 , dans le cadre de École Doctorale des Matériaux (Lyon) , en partenariat avec IMP - Ingénierie des Matériaux Polymères UMR 5223 ( Rhône-Alpes) (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent David.

Le jury était composé de Joshua Otaigbe, Jérôme Fournier, Jean-Pierre Pascault.

Les rapporteurs étaient Gilles Régnier, Yves Grohens.


  • Résumé

    Les polyuréthanes segmentés thermoplastiques (TPUs) sont des matériaux élastomères thermoplastiques qui couvrent une large gamme d’applications. Ces matériaux possèdent intrinsèquement une aptitude à la nano-structuration car ils présentent dans leur structure macromoléculaire une alternance de segments rigides et de segments souples thermodynamiquement immiscibles en dessous d’une certaine température (température de micro-mélange). Ainsi, en refroidissant à partir de l’état fondu, une micro-séparation de phase, dont la cinétique dépend de la température, se produit. De plus, l’application d’une déformation avant cette structuration modifie sa cinétique. Ainsi, en vue d’appréhender l’effet de la mise en oeuvre sur certaines propriétés de ces matériaux, il s’avère intéressant d’étudier l’influence de l’histoire thermomécanique sur la structuration. Cette étude repose sur l’observation du comportement de cristallisation et/ou de séparation de phase de cinq polyuréthanes commerciaux de nature chimique différente, en fonction de différentes conditions thermiques et mécaniques appliquées en milieu modèle ou en conditions de mise en oeuvre réelles. Les techniques utilisées sont principalement rhéologiques, rhéo-optiques et par diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS). Ces différentes analyses permettent d’affirmer que les contraintes appliquées dans le fondu des matériaux avant leur solidification modifient de façon drastique la cinétique de structuration mais aussi leur morphologie résultante. En effet, une orientation particulière des entités structurées au sein des matériaux peut être engendrée par des contraintes appliquées en fonction de leur intensité. Cette morphologie résultante particulière joue également un rôle sur les propriétés mécaniques finales des matériaux.

  • Titre traduit

    Nano-structuring of thermoplastic segmented polyurethanes under shear flow


  • Résumé

    Thermoplastic segmented polyurethanes are an important class of thermoplastic elastomers which cover a wide range of applications. These materials are multi-block copolymers composed of alternating “hard” and “soft” segments which are respectively below and above their glass transition temperature under ambient conditions. TPUs exhibit a twophase microstructure which arises from the thermodynamic incompatibility between the hard and soft segments. This microphase separation is often combined with the crystallization of either or both segments. The mechanical properties of these polymers will depend upon the overall multiblock length and the hard block sequence length and how they affect the material morphology. Our goal is to understand how the polyurethane final properties can be affected by the processing stresses (extrusion, injection…). In this scope, experiments were performed using a rheometer or an optical microscope coupled with a shearing hot stage. A preshear controlled treatment was applied and its effect on the material structuration was followed. These characterizations highlighted the enhancement of phase separation kinetics by the shear. For instance, for presheared samples, phase separation and/or crystallization of the hard segments occur ten times faster than for non-sheared ones. Moreover, SAXS experiments carried out on samples structured from several conditions illustrated perpendicular arrangements of crystalline domains perpendicularly to the flow direction. Finally, this particular morphology induced by shear modifies the materials final mechanical properties

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