Prévision de la morphologie de mélanges de polyoléfines par un modèle micro-rhéologique : Application à des propriétés d'usage

A micro-rheological model to predict the morphology of polyolefin blends : Application to end-use properties

• Auteur / Autrice : Ilhem Charfeddine
• Direction : Christian Carrot, Jean-Charles Majeste
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 28/06/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Matériaux Polymères (Auvergne Rhône-Alpes ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Paul Sotta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Carrot, Jean-Charles Majeste, Paul Sotta, Edith Peuvrel-Disdier, Nicole R. Demarquette, Stéphanie Reynaud, Olivier Lhost
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Edith Peuvrel-Disdier, Nicole R. Demarquette

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polypropylène

Polyéthylène

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Tension superficielle

Polymères -- Rhéologie

Morphologie moléculaire

Polymères

Mots clés libres

Polymères

Mélanges

Morphologie

Micro-rhéologie

Co-continuité

Tension interfaciale

Propriétés mécaniques

Polymers

Blends

Morphology

Micro-rheology

Co-continuity

Interfacial tension

Mechanical properties

Résumé

Le contrôle du développement de la morphologie des mélanges de polymères dans les procédés de transformation est un sujet d'étude majeur compte tenu de son impact sur les propriétés mécaniques, barrières ou électriques. Les morphologies des mélanges de polymères, en phases dispersées ou co-continus, dépendent de la composition, des comportements rhéologiques des phases, des conditions du mélange et de la tension interfaciale.Dans ce travail de thèse, un modèle d'établissement de la morphologie a été proposé sur la base de descriptions topologiques des phases dispersées et co-continues couplées à un scénario d'évolution entre ces morphologies dans des mélanges de polyoléfines.Les paramètres utiles pour ce modèle micro-rhéologique ont été déterminés. La tension interfaciale a été mesurée par rhéologie en utilisant les modèles de Palierne, l'approche de Gramespacher et Meissner et des calculs ab-initio. Le cisaillement a été calculé par le logiciel Ludovic. Les mesures rhéologiques sur les polymères ont été réalisées en spectrométrie dynamique en cisaillement. Les prédictions du modèle ont été comparées aux résultats expérimentaux pour différents couples de polyéthylènes et polypropylènes mélangés en extrudeuse bivis. Une analyse morphologique approfondie des mélanges a été menée par microscopie électronique à balayage (MEB) après une étape préalable de marquage sélectif d'une phase pour améliorer le contraste. Les dimensions des phases ainsi que la variation de l’aire d’interface en fonction de la composition ont été calculées.Les résultats expérimentaux montrent une bonne corrélation entre les aires d’interface et l'élasticité à l'état fondu à basse fréquence ainsi que les capacités prédictives du modèle. La comparaison des prédictions et des mesures expérimentales montre que le mécanisme par instabilités de Rayleigh domine la rupture des gouttes en phase dispersée.Le modèle micro-rhéologique a été complété pour prédire les propriétés mécaniques : module d’Young et résistance au choc. Les résultats de la prédiction ont été comparés aux mesures expérimentales lors des essais de traction et de choc Charpy. Enfin, l’effet de la distance entre les particules sur l'apparition de la transition ductile fragile a été discuté.

For a long time, the control of the development of polymer blend morphology during processing has received attention because of its great impact on the mechanical, barrier or electrical properties. Polymer blend morphologies can be divided into two groups, dispersed and co-continuous, and they depend on the composition, the rheological behavior of components, the mixing conditions and the interfacial tension.In this study, a predictive model of the type of morphology has been proposed on the basis of topological representations of co-continuous or dispersed phases using a scenario for the morphology development in blends of polyolefin.Relevant parameters of the model were measured. The interfacial tension was measured by rheological methods using the Palierne model, Gramespacher and Meissner approach and ab-initio calculation. The shear rate in the extruder was determined using the Ludovic software. Rheological studies were conducted in oscillatory shear flow. The predictions were compared with experimental results of various polyethylene and polypropylene blends at different compositions, prepared by twin-screw extrusion. Blends were carefully examined by scanning electron microscopy (SEM), using staining agent to enhance electron density contrast. The characteristic dimensions and interfacial areas as a function of the composition were calculated.The experimental results on the various blends show a good correlation between the interfacial areas, the melt elasticity measured at low frequency and the model prediction. The comparison shows also that Rayleigh disturbances dominate the breakup mechanism.This model was completed by predictive models of mechanical properties: modulus and impact resistance. The mechanical properties calculated by the models were compared to the measurements of tensile and Charpy impact tests. Finally, the effect of the interparticle distance on the impact resistance was also investigated to understand the brittle-tough transition.