Etude rhéocinétique de polyamides HT : Application à la mise en forme de matériaux composites par des procédés réactifs

par Mohamed Dkier

Thèse de doctorat en Matériaux polymères

Sous la direction de Abderrahim Maazouz.

Soutenue le 22-09-2017

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , IMP - Ingénierie des Matériaux Polymères UMR 5223 ( Rhône-Alpes) (laboratoire) et de Ingénierie des Matériaux Polymères - Site INSA Lyon / IMP (laboratoire) .

Le président du jury était Véronique Michaud.

Le jury était composé de Abderrahim Maazouz, Véronique Michaud, Didier Delaunay, Valérie Nassiet, Philippe Boisse, Michel Glotin, Khalid Lamnawar.

Les rapporteurs étaient Didier Delaunay, Valérie Nassiet.


  • Résumé

    Les travaux de cette thèse concernent l’étude et la modélisation rhéocinétique de systèmes chimiques réactifs à base de prépolymères PA haute température (PA-HT) pour la mise en forme de composites de hautes performances à base de matrice thermoplastique. Ils visent, plus particulièrement, le développement d’une métrologie adaptée pour le suivi de réactions très rapides sous hautes températures (supérieures à 275°C) et pouvant atteindre des degrés de conversions très élevés à des temps très courts. La viscosité du milieu atteint des valeurs supérieures à 10 Pa.s en moins d’une minute. L’intérêt d’une telle étude est double : i) l’optimisation du temps nécessaire pour injecter la matrice à l’intérieur du moule dans lequel est prédisposé un renfort fibreux. En effet, le contrôle du degré d’avancement d’un tel système thermoplastique est un paramètre critique de la mise en forme. Le but étant de garantir un degré optimum dans une pièce ; ii) une meilleure compréhension des relations structures-propriétés. Dans le cadre de ce travail, de nombreuses formulations prépolymère-allongeur de chaine ont été étudiées avec ou sans fibres de verre continues. Au vu de la forte réactivité du milieu, les moyens classiques de suivi de la réaction d’allongement ont montré leurs limites pour l’étude de ces systèmes complexes, notamment aux temps courts représentatifs de ceux pratiqués en tête d’injection et lors de l’imprégnation du renfort fibreux. A cet effet, des métrologies originales ont été développées consistant à coupler la rhéométrie, la spectroscopie infrarouge haute température et la diélectrométrie. Le but ultime étant de corréler la viscosité et l’évolution du taux de conversion dans le moule. Ensuite, une approche de modélisation rhéocinétique a été proposée pour pouvoir prédire in-situ l’évolution de la viscosité au cours du processus de la mise en forme et notamment aux temps courts. Cette chimie a ensuite été mise en situation dans un procédé de transfert instrumenté. Une fenêtre de mise en œuvre de composites PA-HT/FV a été obtenue. Enfin, les relations structure/ propriétés physiques, mécaniques et morphologiques des pièces composites obtenues ont été établies

  • Titre traduit

    Rheokinetic study of chain-extended polyamide for LCM process : Monitoring and processing of high performance thermoplastic composites based on reactive systems


  • Résumé

    The main objective of this work has been to develop an experimental investigation making it possible to monitor, as well as achieve a deeper understanding of the structural evolution of high temperature polyamide (PA-HT) as a thermoplastic-based composite matrix. Various formulations of prepolymer with chain extender (CA) were studied at different stoechiometry ratios and temperatures with or without continuous glass fibers. Furthermore, the interest of such a study is twofold: i) optimization of the time required for injection of the reactive system into the mold in which a fibrous reinforcement is predisposed. Thereby, the control of the conversion amount of such thermoplastic system is a critical parameter for a better control of impregnation. ii) a better understanding of structure-property relationships of the obtained thermoplastic composites. Since that the reaction kinetic was demonstrated very fast to be monitored at short times by usual technics at high temperatures above 275°C), the chemo-rheological evolutions were firstly studied ex-situ by coupling rheology with fast FTIR and dielectric spectroscopy (DRS). The ultimate purpose was to correlate the viscosity and the conversion rate in the mold. Then, a rheokinetic modeling approach was performed in order to be able to predict the evolution of the viscosity in particular at very short times (less than 2 minutes which the conversion reaches about 80%). In this work, hybrid process coupling “Reactive Extrusion”and “Resin Transfer Molding” machine (T-ERTM) equipped with an instrumented mold was designed and developed. Secondly, the hybrid process coupling “Reactive Extrusion” and “Resin Transfer Molding” machine (TP-ERTM) with an “instrumented mold” was developed with specific dielectric sensors in order to in-situ track viscosity and the extent of the reaction. The in-situ results corroborate the ex-situ ones aforementioned. Overall, a processing window was obtained for each reactive system to ensure a good preform impregnation for the manufacturing of complex and continuous glass fiber-reinforced parts. Herein, the structure/physical/mechanical/morphological properties of the obtained composites have been established.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2019 par SCD DocInsa [diffusion/distribution] à Villeurbanne

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Informations

  • Sous le titre : Etude rhéocinétique de polyamides HT : Application à la mise en forme de matériaux composites par des procédés réactifs : Monitoring and processing of high performance thermoplastic composites based on reactive systems
  • Détails : 1 vol. (219 p.)
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