= Diffusion et réaction de molécules de basse masse moléculaires dans des milieux polymères fondus : caractérisation et modélisation

Diffusion and reaction of low molecular weight reactants in molten polymer medium : characterization and modelling

• Auteur / Autrice : Redha Bella
• Direction : Françoise Fenouillot-Rimlinger, Laurent Falk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux polymères et composites
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMM - Laboratoire des Matériaux Macromoléculaires (Lyon; INSA1962-1998)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscosité

Amines

Rhéologie

Époxydes

Polymères

Résumé

L'accès à des produits innovants avec des applications originales est lié à une bonne compréhension des phénomènes fondamentaux qui peuvent se produire pendant les procédés réactifs des polymères. Le but de ce travail est d'ouvrir un chemin dans cette compréhension en développant de nouveaux outils (rhéologie) et méthodes (modélisation) pour comprendre le couplage de la diffusion et de la réaction dans un système modèle simple en utilisant une géométrie simplifiée d'écoulement laminaire pour de petites molécules réactives dans des milieux visqueux. Basé sur de précédentes études, le choix d'une approche simplifiée a été imposé pour identifier les interactions entre mélange, diffusion moléculaire et réaction en utilisant des systèmes visqueux modèles. Tout d'abord, un mélange thermoplastique/thermodurcissable a été utilisé pour identifier les interactions entre la diffusion et la réaction. On a observé une asymétricité au niveau du gradient de la morphologie qui est provoquée par le control de la réaction par la diffusion. Ce gradient peut être expliqué par trois facteurs : différences des coefficients de diffusion, des interactions thermodynamiques et la viscosité. Ces interprétations sont multiples et difficiles à justifier. Comme solution, ces phénomènes ont été découplés et la diffusion a été étudiée en premier. En utilisant une méthode de calcul par rhéologie inverse, les coefficients de diffusion ont été calculés pour une monoamine et une monoepoxide dans un polymère fondu. En raison de la différence de miscibilité des deux espèces réactives, la vitesse de diffusion de la monoamine, qui est entièrement miscible dans le polymère, ne dépendait pas des masses molaires du polymère. D'autre part, la monoepoxide qui est partiellement miscible dans le polymère, sa diffusion dépendait fortement des masses molaires et des paramètres d’interaction de Flory-Huiggins. Finalement, le couplage de la diffusion et la réaction de petites espèces réactives en milieu fondu visqueux ont été expérimenté et modélisé. L'effet du mélange a été pris en compte en utilisant une géométrie simple en bicouches. La réaction était contrôlée par la diffusion et le temps nécessaire pour atteindre un état homogène dans un flux laminaire a été calculé.

The access to innovative products with original applications is linked to a well understanding of the fundamental phenomena that can occur during polymer reactive processing. The aim of this work is to open a way in this comprehension by developing new tools (rheology) and methods (modelling) to understand the coupling of diffusion and reaction using a simple model system within simple laminar flow geometry for small reacting molecules in viscous media. Based on earlier studies, the choice of a simplified approach was imposed to identify the interactions between mixing, diffusion and reaction using model viscous systems. First of all, a thermoplastic / thermoset blend was caried out to identify the interactions between diffusion and reaction. An asymmetricity has been observed on the gradient of morphology due to the diffusional control of the reaction. This gradient may be explained by three factors: differences in diffusion coefficients, in thermodynamic interactions and in viscosity. These interpretations are multiple and difficult to discriminate. As a solution, these phenomena were uncoupled and the diffusion was primarily studied. Using rheological method and inverse calculations, the diffusion coefficients were calculated for monoamine and monoepoxy in molten polymer. Due to the difference in miscibility of the two reactive species, the diffusion rate of the monoamine, that is fully miscible with the polymer, was not dependent on the molecular weight of the polymer. On the other hand, the monoepoxy is only partially miscible with polymer and was diffusion dependent on molecular weight and on Flory-Huiggins parameters. Finally, the coupling of diffusion and reaction of small reactive species in molten polymer was experimented and modelled. The mixing effect was accounted using simple bilayer geometry. The reaction was diffusion controlled and the time necessary to reach homogeneity in laminar flow was calculated.