Dans cette thèse, nous avons voulu exploiter et étendre les outils de simulation à notre disposition pour proposer des méthodes de caractérisation et de prédiction du mélange à différentes échelles. À l'échelle locale d'écoulements macroscopiques, nous avons voulu exploiter les possibilités offertes par le logiciel de simulation 3D éléments finis XimeX® et y apporter des améliorations dans le but d'obtenir un outil d'étude du mélange distributif de particules dans un polymère par extrusion bivis. Nous avons ainsi enrichi la méthode éléments finis existante à l'aide de la bibliothèque éléments finis CimLib© du Cemef pour atteindre une plus grande précision de calcul, puis nous avons testé plusieurs méthodes de lâchers de particules afin de simuler le déplacement de charges dans la matrice polymère au cours du mélange. Nous avons ensuite appliqué quelques méthodes de caractérisations du mélange, dont une inédite, à ces lâchers de particules, et ce dans le cas de plusieurs géométries de vis. À l'échelle de la particule, on s'est intéressé aux mécanismes conduisant à la casse de fibres rigides, telles que les fibres de verre, lors du mélange avec un polymère en extrusion bivis. Nous avons choisi de faire des hypothèses assez importantes afin de simplifier ce problème extrêmement complexe et nous avons proposé une méthode de simulation de l'évolution de la distribution des longueurs de fibres le long de l'écoulement basée sur la conservation de la masse des fibres. Nous avons utilisé comme paramètres de cette simulation les résultats de calcul 1D obtenus par le logiciel Ludovic® qui repose sur des approches de type ALH. Nous avons ensuite comparé quelques résultats de calcul à des distributions de longueurs mesurées sur des échantillons prélevés le long d'une extrudeuse bivis.

Ce travail a pour objectif l'étude de la réalisation de nanocomposites polypropylène (PP)/argile organophile (org-MMT) par mélange à l'état fondu. Il s'est articulé autour de trois thèmes principaux, qui sont l'effet des compatibilisants de type PP-g-MA et l'influence du procédé d'extrusion bivis sur l'état de dispersion, ainsi que le comportement rhéologique des nanocomposites en régime transitoire. L'importance des compatibilisants (PP-g-MA), et notamment leur concentration dans le système PP/PP-g-MA/org-MMT, a été mise en évidence. Un modèle rhéologique simple (loi de Carreau-Yasuda à seuil), a été proposé pour caractériser quantitativement le degré de dispersion à travers la valeur du seuil d'écoulement. En extrusion bivis, l'état de dispersion dépend fortement des conditions opératoires (vitesse de rotation N et débit Q), principalement du rapport Q/N. Des prélèvements locaux le long des vis ont révélé que l'essentiel de l'exfoliation s'est effectué lors de la fusion. Cette dernière apparaît comme l'étape gouvernant le processus de dispersion en extrusion bivis. Les relations entre le procédé et l'état de dispersion ont également été étudiées à l'aide du logiciel Ludovic©. Enfin, le comportement rhéologique des nanocomposites en régime transitoire a été étudié. On observe un pic de contrainte au démarrage, ainsi qu'un effet de restructuration après un temps de repos. Deux modèles théoriques développés initialement pour des suspensions colloïdales et des suspensions de fibres ont été utilisés pour décrire les phénomènes observés.

Dans cette thèse, nous avons voulu exploiter et étendre les outils de simulation à notre disposition pour proposer des méthodes de caractérisation et de prédiction du mélange à différentes échelles. À l'échelle locale d'écoulements macroscopiques, nous avons voulu exploiter les possibilités offertes par le logiciel de simulation 3D éléments finis XimeX® et y apporter des améliorations dans le but d'obtenir un outil d'étude du mélange distributif de particules dans un polymère par extrusion bivis. Nous avons ainsi enrichi la méthode éléments finis existante à l'aide de la bibliothèque éléments finis CimLib© du Cemef pour atteindre une plus grande précision de calcul, puis nous avons testé plusieurs méthodes de lâchers de particules afin de simuler le déplacement de charges dans la matrice polymère au cours du mélange. Nous avons ensuite appliqué quelques méthodes de caractérisations du mélange, dont une inédite, à ces lâchers de particules, et ce dans le cas de plusieurs géométries de vis. À l'échelle de la particule, on s'est intéressé aux mécanismes conduisant à la casse de fibres rigides, telles que les fibres de verre, lors du mélange avec un polymère en extrusion bivis. Nous avons choisi de faire des hypothèses assez importantes afin de simplifier ce problème extrêmement complexe et nous avons proposé une méthode de simulation de l'évolution de la distribution des longueurs de fibres le long de l'écoulement basée sur la conservation de la masse des fibres. Nous avons utilisé comme paramètres de cette simulation les résultats de calcul 1D obtenus par le logiciel Ludovic® qui repose sur des approches de type ALH. Nous avons ensuite comparé quelques résultats de calcul à des distributions de longueurs mesurées sur des échantillons prélevés le long d'une extrudeuse bivis. / In this thesis, we have attempted to use and to extend previously developed simulation tools to propose characterisation and mixing prediction methods at different scales. At a local macroscopic flow scale, we attempted to use the possibilities given by the 3D finite element software XimeX® and to improve it in order to obtain a tool for mixing simulation of filled polymers in twin-screw extruders. Thus we have enriched the existing finite element method using the Cemef finite element library CimLib© in order to achieve a greater computation accuracy. Then we have tested several particle tracking methods to predict the fillers displacement into the matrix during mixing. Furthermore, we have applied several characterisation methods to these particles tracking results for different screw geometries. At the particle scale, we have focused on the mechanisms leading to rigid fibres (such as glass fibres) breakage during mixing with polymer in twin-screw extruders. We have some assumptions in order to simplify this extremely complex problem. We then have proposed a simulation method of the evolution of the fibres length distribution along the flow. This method is based on the fibres mass conservation. We have used the results of the Ludovic® software 1D computations based on lubrication theory as impute parameters for this simulation. Then we have compared some computational results to length distributions measured on experimental samples taken along a twin-screw extruder.

Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés au mélange de la farine de blé et du poly(acide lactique). La farine de blé, qui est composée principalement d'amidon, a été thermoplastifiée en extrudeur bivis par l'effet conjugué de la chaleur et du cisaillement en présence de plastifiants. Le poly(acide lactique) est, quant à lui, le polyester biodégradable le plus répandu à l'heure actuelle. Le mélange de ces deux phases est thermodynamiquement immiscible et peu compatible, différents leviers sont testés afin d'améliorer la qualité du mélange. Une première partie de ce travail repose sur la recherche de conditions optimales pour la transformation et le mélange des matières premières. L'extrusion bivis est utilisée à la fois pour plastifier l'amidon et pour assurer un bon mélange entre les phases. Le profil de vis et les différents équipements sont donc choisis en conséquence. Différents paramètres classiques de l'extrusion bivis sont étudiés : le profil de vis, le profil de température, le taux de remplissage… L'étude de la formulation, notamment des plastifiants utilisés pour la plastification de l'amidon mais également l'utilisation de compatibilisants pour améliorer l'interface amidon/PLA est traitée en deuxième partie. L'acide citrique est testé à la fois comme plastifiant et comme compatibilisant. Ces investigations nous ont permis de mettre au point différents grades intéressants répondant à des applications industrielles distinctes : injectabilité, souplesse, rigidité… / In this work, we have been interested in blending wheat flour and poly(lactic acid). Wheat flour, which is mainly constituted of starch, has been transformed with plasticizers in a twin-screw extruder with the effect of heat and shear. Poly(lactic acid) is the main biodegradable polyester in the world nowadays. These two phases are thermodynamically immiscible and not very compatible, different ways are tried to improve the blend quality. A first part of this work lies on the search of optimal conditions to transform and blend the raw materials. Twin-screw extrusion is used to pasticize starch and to ensure a good blending between the two phases. Screw design and different equipments have been chosen for this purpose. Classical twin-screw parameters have been studied: screw design, temperature profile, filling ratio… The study of the formulation, more particularly of plasticizers for starch plasticization but also of compatibilizers to improve starch/PLA interphase is tackled in a second part. Citric acid is tested as a plasticizer but also as a compatibilizer. These researches have allowed to develop interesting formulations for industrial applications: possibility of processing by injection-molding, flexibility, rigidity…

Cette thèse porte sur la relation entre le procédé de préparation et la structure des nanocomposites polypropylène/argile. Les échantillons ont été préparés au mélangeur interne dans un premier temps. Des observations au microscope électronique à balayage, complétées par des analyses en diffraction des rayons X ainsi que des mesures rhéologiques ont permis de caractériser l’état de dispersion de l’argile à différentes échelles au sein du matériau. Nous avons comparé trois argiles organophiles et montré que la compatibilité chimique entre l’argile et la matrice est un facteur primordial afin d’obtenir une bonne dispersion : la Cloisite 20 et la Dellite 67G montrent de bons états de dispersion à toutes les échelles au contraire de la Cloisite 30B. Nous avons ensuite mis en évidence l’influence de la vitesse de rotation ainsi que du temps de mélange sur l’état de dispersion de l’argile. Le seuil de percolation de l’argile dans le polypropylène a été déterminé. Le lien entre état de dispersion et cristallinité du polypropylène a également été étudié.Les échantillons ont ensuite été préparés par extrusion bivis. L’influence de la vitesse de rotation sur l’état de dispersion de l’argile a été mise en évidence, tout autant que la dégradation de la matrice aux plus fortes vitesses. L’évolution de l’état de dispersion le long de la vis a montré que si l’intercalation était rapidement atteinte sur la vis, l’exfoliation progressait linéairement avant de saturer sur les dernières zones. L’utilisation d’une température de régulation plus faible ou d’une matrice plus visqueuse n’ont pas permis d’améliorer l’état de dispersion de l’argile ni d’éviter la dégradation de la matrice. Enfin, l’utilisation du logiciel Ludovic© a permis de mieux appréhender les phénomènes thermomécaniques mis en jeu lors de l’extrusion, mais également d’optimiser le procédé. / This PhD focuses on the relationship between the preparation process and the structure of polypropylene/clay nanocomposites. First, the samples were prepared via an internal mixer. Scanning electron microscopy observations, completed by X-ray diffraction analysis and rheology measurements enabled us to characterize the clay dispersion state in the nanocomposite at different scales. Three organoclays were compared. It was shown that the chemical compatibility between the clay and the matrix was essential to ensure a good dispersion: Cloisite 20 and Dellite 67G showed good dispersion states at all scales, whereas Cloisite 30B did not. The influence of rotor speed and mixing time on the clay dispersion state was shown. The percolation threshold of the clay was determined. The link between dispersion state and crystallinity was also studied.The samples were then prepared via a twin-screw extruder. The influence of screw speed on the clay dispersion state was demonstrated, as well as the matrix degradation at high screw speed. The evolution of the dispersion state along the screw profile showed that intercalation was reached early in the screw profile, whereas exfoliation evolved linearly until the last mixing elements. A lower barrel temperature, as well as a more viscous matrix did not improve the clay dispersion state, and did not prevent the matrix degradation. Finally, the Ludovic© software allowed us to apprehend the thermomechanical phenomena involved during extrusion, but also to optimize the process.