Seminars at UMET

L’extrême variété d’architecture moléculaire et de morphologie cristalline du polyéthylène (PE) permet l’obtention d’une gamme de matériaux aux propriétés diverses. Des mélanges et assemblages de divers PE ont été réalisés afin de mieux cerner la compatibilité entre les matériaux et l’influence sur les propriétés mécaniques résultantes. Dans cette étude, deux copolymères métallocènes polyéthylènes ultra basse densité (UL) et linéaire basse densité (LL), et un polyéthylène haute densité (HD) issu de la polymérisation Ziegler-Natta ont été utilisés.

Les mélanges binaires réalisés par extrusion ont été caractérisés à l’aide de nombreuses techniques expérimentales : la rhéologie dynamique afin d’étudier la miscibilité à l’état fondu, l’analyse thermique pour déterminer le comportement à la fusion et les cinétiques de cristallisation, la microscopie AFM et diffusion des rayons X pour l’étude morphologique. La séparation de phase semble être un phénomène prédominant pour les espèces étudiées, avec une faible solubilité mutuelle. Une phase semi-cristalline à gradient de composition peut cependant exister à l’interface. La distribution assez large des unités comonomères au sein de ces matériaux implique que certaines chaînes soient structurellement « cousines », créant ainsi une opportunité de miscibilité et de co-cristallisation partielles.

Une évaluation de cette organisation structurale sur des assemblages obtenus par soudage est réalisée par des tests mécanique

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation des propriétés thermomécaniques ainsi que l’étude à différents niveaux d’échelle de la structuration d’un polymère candidat au remplacement des polymères de commodité, à savoir, l’acide poly(lactique) (PLA). Le but est d’établir les relations entre la structure et les propriétés de ce matériau en fonction des traitements thermomécaniques. Ce travail a été motivé par le comportement complexe, encore mal compris à l’heure actuelle, que présente ce polymère notamment à cause de son caractère stéréo-isomérique.

Le premier but de ce travail a été de caractériser, en utilisant les techniques classiques : DSC, DMA, essais de traction, l’influence du taux de co-monomère sur les propriétés thermomécaniques du matériau à l’état amorphe isotrope. Ces propriétés ont été mises en relation avec les arrangements moléculaires locaux pouvant exister dans la phase amorphe qui ont été mis en évidence grâce à la diffraction et à la diffusion des rayons X.

Le second objectif a été d’étudier la structuration d’un copolymère industriel lorsque celui-ci est déformé uniaxialement à une température supérieure à sa température de transition vitreuse. En outre, les essais de diffraction- diffusion X réalisés sur synchrotron ont permis d’établir le lien entre les propriétés mécaniques du matériau et l’évolution structurale induite par la déformation. Ces essais ont également permis de montrer qu’une phase mésomorphe était induite pour certaines conditions de sollicitation. Cette phase mésomorphe, clairement définie pour la première fois dans ce travail, a été caractérisée en termes de structure et de propriétés, et son origine a été corrélée avec des aspects de dynamique des chaînes macromoléculaires.

Un intérêt particulier a également été porté à l’influence du taux de cristallinité initial du matériau sur ses propriétés mécaniques ainsi que sur la structuration associée en cours de déformation. En particulier, il a été montré que la phase cristalline induite par déformation avait une structure légèrement différente de celle induite par traitement thermique. L’introduction « forcée » de défauts stéréo-isomériques dans la maille cristalline a été suggéré comme hypothèse. Un modèle de déformation a été proposé, sur la base d’un enchaînement de mécanismes de déformation plastiques élémentaires.

Finalement, les mécanismes de déformation mis en jeu lors de la déformation du PLA amorphe ont été étudiés pour des températures inférieures à sa température de transition vitreuse. Une compétition entre le craquelage et le cisaillement a été observée, le second mécanisme devenant prédominant avec l’augmentation de la température.

Cette étude propose un procédé d’ignifugation par traitement en masse du PLA basé sur l’incorporation d’un retardateur de flamme phosphoré (APP) et de composés issus des ressources renouvelables agissant comme source de carbone dans le système intumescent. L’évaluation des propriétés RF des différents matériaux selon divers tests normalisés a permis de mettre en évidence que la formulation PLA/APP/amidon présentait les meilleures performances en termes de tenue au feu. Il se développe en surface du matériau une structure intumescente qui protège l’échantillon de l’action d’une flamme ou d’une source de chaleur et permet de limiter les transferts de gaz et de matière. Afin de tenter d’expliquer le comportement au feu de la formulation optimale, les caractéristiques physiques telles que la viscosité et la conductivité thermique du système ont été évaluées. De plus, pour mettre en évidence les éventuelles interactions chimiques, la dégradation thermique des additifs et des formulations a été étudiée. L’amélioration des propriétés feu est également due à la formation d‘espèces polyaromatiques principalement liées par des ponts phosphohydrocarbonés. Par ailleurs, plusieurs solutions ont été apportées afin d’améliorer la compatibilité entre le PLA et l’amidon et ainsi augmenter les propriétés mécaniques de la formulation intumescente.

Les processus dynamiques qui opèrent à l’intérieur de la terre sont la cause de déformations à toutes les échelles, du micromètre à plusieurs centaines de kilomètres. L’étude de la plasticité des minéraux représente donc un enjeu majeur pour la connaissance de l’intérieur de la terre et de sa dynamique. Ces observations dirigent mes efforts de recherche, qui portent principalement sur l’étude des minéraux du manteau et noyau terrestre. En effet, ces enveloppes sont essentiellement constituées de roches solides et sont, pour le manteau en tous cas, le siège de vastes mouvements de convection. Je m'attache donc à étudier les mécanismes de plasticité des phases majeures qui constituent ces couches en utilisant, en particulier, les techniques d'expérimentation à très hautes pressions.

Le comportement plastique des matériaux dans les couches profondes de la terre est un phénomène complexe. A l'échelle microscopique, il faut établir et caractériser les mécanismes contrôlant la déformation. A l'échelle du polycristal, il faut évaluer les distributions de contraintes, de déformations, d'orientations de grains, et leurs effets sur les propriétés macroscopiques. Une fois ces propriétés établies, on peut enfin revenir à notre objet de départ, la terre, afin d'identifier le lien entre la dynamique, les champs de déformation, et l'anisotropie sismique.

Dans ce but, je participe activement au développement de nouvelles expériences de déformation sous haute pression et haute température. L'objectif est de pouvoir travailler directement sur les matériaux du manteau et noyau, en insistant sur une caractérisation in-situ par diffraction de rayons X. Ces travaux impliquent aussi un effort de modélisation numérique, principalement pour bien comprendre et caractériser le passage de l'échelle du grain à celle du polycristal.

Ces travaux ont donné lieu à de nombreux résultats concernant le comportement plastique des phases du manteau et noyau, le développement d'anisotropie sismique à la frontière noyau-manteau, et les problèmes d'analyses de contrainte dans des polycristaux déformés plastiquement. J’ai aussi été confronté à certaines limites et difficultés. Dans ce but, je développe maintenant une activité à la croisée de quatre axes principaux: expériences de déformation sur polycristaux sous haute pression et haute température, mesures de diffraction X tridimensionnelle pour l'étude individuelle de cristaux au sein de polycristaux, modélisation numérique du passage de l'échelle du grain au polycristal et, enfin, simulations d'anisotropie sismique.