Cette étude se focalise sur des matrices polyamide 66 vierges, mises en œuvre sous la forme de plaques injectées. Son objectif est la mise en évidence des corrélations qui existent entre l’organisation microstructurale de ces matrices et leur comportement mécanique.L’étude se limite dans un premier temps à l’analyse d’une seule plaque. Une cartographie des états microstructuraux a été réalisée, et dévoile une organisation typique du procédé d’injection moulage, avec des évolutions dans l’épaisseur ainsi que dans la direction de l’écoulement. Ainsi, on peut différencier les régions superficielles, en contact avec le moule, dans lesquelles la cristallisation a été impactée par des gradients thermiques et des contraintes de cisaillement relativement élevés, a l’inverse des régions profondes qui ont pu cristalliser dans des conditions plus stables. Les évolutions dans la direction de l’écoulement sont plus subtiles et semblent relever du transport de matière ou des différences de pression durant le procédé d’injection.Ces différences sur la microstructure se traduisent sur le plan du comportement mécanique et des évolutions dans les mêmes directions ont pu être observées. Il apparait que la dimension des entités cristallines, leur degré de perfectionnement, le niveau de contrainte de l’amorphe ou encore le taux de cristallinité impactent tous les propriétés mécaniques, même s’il les interrelations sont complexes et difficiles à discriminer.L’influence de l’humidité sur le matériau polyamide 66 a été observée et discutée. En conditionnant le positionnement du matériau par rapport à sa transition vitreuse, la teneur en eau pilote la façon dont la microstructure intervient dans les mécanismes de déformation du polymère. Sa prise en compte est donc essentielle.Enfin une extension de l’étude à des plaques de conditions de mise en œuvre différentes a été menée. Bien que leur impact sur les propriétés étudiées se sont avérées minimes, les évolutions observées ont permis d’affiner l’analyse et de confirmer certains points. / This study focuses on polyamide 66 matrices, formed as injection molded plates. The aim of the study is to highlight existing interrelations between microstructural organization and mechanic behavior.At first, the analysis is limited to one plate. A microstructural mapping has been done, and shows a typical injection molded organization, with evolutions in thickness and injection directions. Therefore, some areas can be differentiated, the superficial ones, those in contact with the mold, where the crystallization is induced by thermal gradient and shear stresses quite important, contrary to bulk areas which have known more stable conditions. Evolutions along the injection direction are more subtle and seem to be induced by the transportation of matter or different pressure conditions during the injection process.These microstructural differences are reflected on the mechanical plan and evolutions in the same directions have been observed. It appears that crystallites dimensions, perfection levels, constraint of amorphous phase or crystallinity ratio all impact on mechanical properties, even if interrelations are complex and not easy to discriminate.The influence of humidity on polyamide 66 material has been observed and discussed. This parameter controls the position of the material relatively to its glass transition and determines the way microstructure is implicated in deformation mechanisms.Finally, the study has been extended to different processing conditions. Although the evolutions that have been noticed were very small, they have helped to refine the analysis and confirm some points.

L'objectif de cette thèse fut de comprendre les mécanismes de dégradation des SAN et des ABS à partir de déchets de rebuts de production bruts et/ou chargés de la société Albéa (anciennement connue sous le nom d'Alcan Packaging). Ce projet devrait permettre de répondre à des exigences en termes de diminution de volume de déchets, d'amélioration de propriétés et de diminution de coûts. Ce travail permettra également d'améliorer notre compréhension sur des aspects fondamentaux de recyclabilité physique des polymères lors de différents cycles en injection moulage. L'étude au mélangeur interne a permis de mettre en évidence les phénomènes de dégradation sous l'influence des conditions de mise en œuvre (vitesse, température et temps de mélange). Ainsi, dans le cas du SAN, les mécanismes de la dégradation thermo-mécanique sont générés à la fois par la thermo-oxydation et par la dégradation mécanique impliquant des coupures de chaînes. Dans le cas des ABS, les mécanismes de dégradation thermo-mécanique mis en jeu impliquent, outre les sites chromophores, plusieurs réactions en compétition comme la réticulation et les coupures de chaîne. L'originalité de cette étude réside dans la mise en évidence expérimentale, à travers des techniques originales (TMDSC, RMN du solide, AFM), d'un mécanisme théorique de dégradation des SAN et des ABS en se plaçant dans les conditions réelles de mise en œuvre. Nous avons alors pu mettre en évidence la réelle contribution de l'effet thermique et de l'effet du cisaillement qui jusqu'alors, dans la littérature, semblait non étudié. Finalement, les effets de dégradation du SAN n'ont pas affecté les propriétés mécaniques bien qu'une décoloration et une diminution de la viscosité aient été observées. En revanche, dans le cas de l'ABS recyclé, les propriétés en traction et la résistance au choc ont considérablement été affectées, notamment par la présence de vernis qui interfère sur le transfert de contraintes entre les nodules de PB et la matrice SAN. / The aim of this PhD thesis was to understand the mechanisms of degradation of SAN and ABS from waste sprues and undelivered packages from Albea Group (formerly known as Alcan Packaging). The results of this project should allow the reduction of waste volume, the improvement of material properties and a costs reduction. The present workshould also improve the understanding of the fundamental aspects of physical recyclability of polymers during different cycles in injection molding.The first part of the study performed using an internal mixer showed how degradation was influenced by processing parameters such as the rotor speed, the temperature and the mixing time. Thus, considering the SAN, the mechanisms of the thermo-mechanical degradation are both generated by the thermo-mechanical degradation and by the oxidation that involves chain scissions. In the case of ABS, its mechanisms of thermo-mechanical degradation imply further chromophores sites, several competition reactions such as crosslinking and chain scissions.The innovative feature of our work was to establish a theoretical mechanism of degradation of ABS and SAN under processing conditions used in industry thanks to our experimental approach with original investigation procedure (TMDSC, solid state NMR, AFM). Afterwards, we were then able to identify the real contribution on the one hand of the shearing effect, which seemed still unstudied in the literature, and of the other hand of the thermal effect.Finally, it was found that degradation was not affecting SAN mechanical properties whereas discoloration and a reduction of viscosity were observed. On the opposite, the recycling of ABS resulted in a significant reduction of tensile properties and the impact strength due to the presence of varnish which interfered in stress transfer between PB nodules and the SAN matrix.

L'objectif principal de la thèse est de modéliser et visualiser les phénomènes de plastification des polymères dans le procédé d'injection-moulage. Dans les procédés de transformation des polymères par un système vis-fourreau (extrusion, injection), la plastification est l'étape durant laquelle le polymère originellement à l'état solide est graduellement fondu et homogénéisé par le chauffage externe et l'action mécanique de la friction contre les parois de l'outillage et du cisaillement. Cette étape est capitale dans la maîtrise technique et économique du procédé, en termes d'homogénéité thermique, de mélange des charges et de temps de séjour du polymère. Nous envisageons de visualiser et modéliser l'ensemble du processus de plastification dans les monovis d'injection. Afin de comprendre et de mesurer cette étape, nous avons conçu, validé et réalisé un fourreau à fenêtres. Ce système se compose de trois fenêtres de visualisation, insérées dans un fourreau en acier usiné par électroérosion. Le comportement mécanique de cet assemblage a été analysé par simulation numérique, sous différentes sollicitations thermiques, pressions et contraintes. L'hétérogénéité des matériaux de structure (acier - verre) a fait apparaître des problèmes potentiels de fuites, de fragilité qui ont été pris en compte dans la conception. Ce fourreau à fenêtres nous permet de visualiser et de suivre à l'aide des caméras scientifiques, les différents états du polymère une fois introduit dans l'ensemble vis-fourreau. Les résultats confirment les hypothèses théoriques de la plastification. Certains sont mis en évidence, comme l'existence d'un lit solide adossé à l'arrière du filet de la vis, ainsi que son évolution par rapport à la vitesse de rotation de la vis, ou l'apparition des films fondus entre le filet de la vis et le lit solide, et entre la paroi du fourreau et le lit solide. Certains sont par contre à vérifier par d'autres expériences, comme par exemple : l'apparition de la rupture du lit solide quelle que soit la vitesse de rotation de la vis, la valeur de la vitesse du lit solide par rapport à la vitesse de rotation de la vis. Nous souhaitons aussi, grâce à ce système "fourreau transparent", pouvoir étudier, modéliser et visualiser les aspects de dispersion et de mélange des charges (traceurs, pigments, mélange maître) au sein de la matrice polymère à l'état solide ou fondu.

Des produits de consommation de première nécessité aux produits les plus fortuits, l'emballage, en particulier plastique, constitue aujourd'hui un élément indispensable de notre vie quotidienne. Son utilisation intensive dans le domaine agroalimentaire pour un usage unique à courte durée de vie incite aujourd'hui à s'orienter vers de nouveaux matériaux d'origine renouvelable et biodégradables, aux caractéristiques similaires que leurs homologues issus des ressources fossiles. Les mélanges à base de biopolymères et de biopolyesters peuvent être une bonne alternative. Dans ce présent travail de thèse, des mélanges de farine de blé, thermoplastifiée par du glycérol et de l'eau, et des polyesters biosourcés et biodégradables tels que le PLA et/ou le PHB ont été obtenus par extrusion bivis et moulés par injection thermoplastique. Les caractéristiques thermiques, thermomécaniques dynamiques, morphologiques, mécaniques et barrières de ces nouveaux matériaux ont été étudiés. De l'acide citrique a été utilisé comme agent de compatibilisant pour améliorer l'interface amidon/PLA. Les différentes investigations nous ont permis de mettre au point différents types de formulations aux caractéristiques mécaniques et barrières à la vapeur d'eau intéressantes pour la fabrication de corps de barquettes d'emballage alimentaire de denrées périssables comme la viande ou les fromages. L'aptitude au contact alimentaire des matériaux farine thermoplastifiée/polyester et l'impact de l'incorporation des polyesters sur la biodégradabilité de ces matériaux ont également été étudiés. / From basic and essential to unnecessary and optional consumer products, packaging, particularly plastic, is today an indispensable part of our daily life. Its extensive use in the food industry for a single use and for a short shelf-life encourages us today to move towards new renewable and biodegradable materials with similar characteristics than their counterparts from fossil resources. Biopolymers and biopolyesters blends can be a good alternative. Within the framework of this present work, wheat flour, thermoplasticised by glycerol and water, and biobased and biodegradable polyesters such as PLA and/or PHB, were blended using an industrial twin screw extruder and were injection-molded into thermoplastic materials. Thermal, dynamic thermomechanical, morphological, mechanical and barriers properties of these new materials were studied. Citric acid was used as a compatibilizer to improve the interface starch/PLA. The different investigations have allowed us to develop various types of formulations, with mechanical characteristics and barrier properties to water vapor, very attractive for manufacturing plastic food packaging which can be used for meats or cheeses. Food contact suitability and biodegradability of thermoplasticised wheat flour/polyester materials have also studied.

L’objectif principal de la thèse est de modéliser et visualiser les phénomènes de plastification des polymères dans le procédé d’injection-moulage. Dans les procédés de transformation des polymères par un système vis-fourreau (extrusion, injection), la plastification est l’étape durant laquelle le polymère originellement à l’état solide est graduellement fondu et homogénéisé par le chauffage externe et l’action mécanique de la friction contre les parois de l’outillage et du cisaillement. Cette étape est capitale dans la maîtrise technique et économique du procédé, en termes d’homogénéité thermique, de mélange des charges et de temps de séjour du polymère. Nous envisageons de visualiser et modéliser l’ensemble du processus de plastification dans les monovis d’injection. Afin de comprendre et de mesurer cette étape, nous avons conçu, validé et réalisé un fourreau à fenêtres. Ce système se compose de trois fenêtres de visualisation, insérées dans un fourreau en acier usiné par électroérosion. Le comportement mécanique de cet assemblage a été analysé par simulation numérique, sous différentes sollicitations thermiques, pressions et contraintes. L’hétérogénéité des matériaux de structure (acier – verre) a fait apparaître des problèmes potentiels de fuites, de fragilité qui ont été pris en compte dans la conception. Ce fourreau à fenêtres nous permet de visualiser et de suivre à l'aide des caméras scientifiques, les différents états du polymère une fois introduit dans l’ensemble vis-fourreau. Les résultats confirment les hypothèses théoriques de la plastification. Certains sont mis en évidence, comme l’existence d’un lit solide adossé à l’arrière du filet de la vis, ainsi que son évolution par rapport à la vitesse de rotation de la vis, ou l’apparition des films fondus entre le filet de la vis et le lit solide, et entre la paroi du fourreau et le lit solide. Certains sont par contre à vérifier par d’autres expériences, comme par exemple : l’apparition de la rupture du lit solide quelle que soit la vitesse de rotation de la vis, la valeur de la vitesse du lit solide par rapport à la vitesse de rotation de la vis. Nous souhaitons aussi, grâce à ce système "fourreau transparent", pouvoir étudier, modéliser et visualiser les aspects de dispersion et de mélange des charges (traceurs, pigments, mélange maître) au sein de la matrice polymère à l’état solide ou fondu. / The main objective of the thesis is modelling and visualization of the phenomena of polymer plastication in the injection-moulding process. In injection moulding or in extrusion, plastication is the step during which polymer pellets are melted by the means of mechanical dissipation provided by a rotating screw and by thermal conduction coming from a heated metallic barrel. This step is crucial for melt thermal homogeneity, charge dispersion and fibre length preservation. Although there have been a large number of theoretical and experimental studies of plastication during the past decades, mostly on extrusion and mostly using the screw extraction technique, extremely few of them have dealt with trying to visualise plastication, let alone measuring the plastication profile in real-time. As a matter of fact, designing such equipment is an arduous task. We designed an industry-sized metallic barrel, featuring 3 optical glass windows; each window possessing 3 plane faces itself to allow for visualisation and record by synchronised cameras and lightening by lasers. The mechanical behaviour of this assembly was analysed by numerical simulation under different thermal stresses, pressures and constraints. The heterogeneity of structural materials (steel - glass) showed potential leakage problems, or fragility problems, that have been taken into account in the design. We named it "transparent barrel" or "barrel with glass windows". This "transparent barrel" allows us to visualize and follow through scientific cameras, the different states of the polymer when introduced into the screw-barrel. The images recorded can be further analysed by digital image processing. Preliminary results confirm the plastication theory and show a compacted solid bed and a melt pool side by side. The total plastication length is a direct function of screw rotation frequency as it is obvious from results on the melt pool width, which increases when the screw rotation frequency decreases. However, some evidence of solid bed breakage has been recorded, whereby the solid bed does not diminish continuously along the screw but is fractured in the compression zone. Some others results need to be checked with others experiments. We also wish, through this system "transparent barrel", to study, modelling and visualize the aspects of dispersion and mixing charges (tracers, pigments, master batch) in the matrix polymer.

Mes activités de recherche se sont centrées sur les procédés de transformation des polymères, essentiellement le procédé d'injection-moulage mais aussi le soufflage et maintenant la peinture. J'ai participé à plusieurs projets de recherche appliquée pluridisciplinaire donc à finalité industrielle. Dans ces projets ma contribution porte sur la modélisation du procédé, que ce soit par l'utilisation de code de calculs ou le développement de modèles numériques à l'aide de logiciels libres. L'originalité de mon travail réside dans la pluridisciplinarité des projets qui mêlent des aspects théoriques et numériques aux aspects expérimentaux; la science des polymères à la thermique, à la mécanique et à la rhéologie. Les modélisations s'appuient sur des mesures expérimentales qui sont, dans les procédés de transformation, particulièrement délicats à isoler et à interpréter. Ces dispositifs expérimentaux représentent une part considérable de l'effort de recherche dans ces projets. Durant ces travaux, j'ai tenté de répondre à des problématiques distinctes : Dans les procédés de plasturgie, la viscoélasticité est finalement assez absente. Lorsqu'elle se manifeste, c'est sous la forme de défauts (instabilités, recirculations) qu'il faut éviter. C'est pourquoi, la plupart des écoulements impliqués dans les procédés sont de type lubrification~: une dimension au moins est petite devant les autres; ce qui atténue de façon effective les effets viscoélastiques. Une illustration frappante en est donnée par les recirculations viscoélastiques créées par la courbure du chenal d'une vis : lorsque le rapport d'aspect de la section augmente, elles s'atténuent et se décalent vers les parois latérales, précisément là où dans la section, aucune dimension n'est petite devant l'autre. Seul le procédé d'extrusion soufflage s'appuie totalement sur les propriétés viscoélastiques du polymère en écoulement, au travers des phénomènes de gonflement et de fluage. Cet écoulement est particulièrement discriminant et doit permettre à terme de déterminer les paramètres matériels d'une loi viscoélastique intégrale en comparant les prédictions des simulation numériques (par le code FEM Polyflow ou la méthode des tubes de courant) aux mesures expérimentales du gonflement et de fluage, devenues réalisables désormais avec notre technique de visualisation par illumination laser. En ce qui concerne le phénomène de plastification dans les monovis d'injection, ce thème de recherche est celui qui a nécessité le plus d'efforts et c'est celui qui est le plus ardu. La difficulté première, celle des observations, est en passe d'être surmontée avec le fourreau à fenêtres qui permet une visualisation inégalée des phénomènes de plastification. Nous allons pouvoir reprendre et vérifier toutes les hypothèses usuelles de la plastification : accélération du lit solide, fonte contiguë ou dispersée, position et épaisseur des films fluides. En ce qui concerne la modélisation numérique du convoyage solide du polymère dans le chenal de la vis. Une autre problématique, très importante dans le domaine industriel de l'automobile ou de la cosmétique, concerne les défauts de surfaces des pièces plastiques injectées. De nombreux facteurs peuvent contribuer à l'apparition de tels défauts. Nous avons étudié les effets thermiques en montrant que même des revêtements métalliques extrêmement fins pouvaient avoir une influence thermique. Qu'en est-il de l'aspect dynamique de l'écoulement et du contact (tension de surface) polymère-métal ? Ce sujet est d'importance pour l'injection moulage classique mais aussi la micro-plasturgie. La simulation numérique de la projection de peinture représente une direction nouvelle de recherche, active en Europe, mais inédite en France, et pour laquelle nous sommes bien placés à l'insa-lyon avec la création récente d'une cabine de peinture pilote. Cela reste toujours de la mécanique des fluides et des polymères mais avec des outils différents (code volumes finis, OpenFOAM, StarCCM). Encore une fois, une analyse des phénomènes prépondérants, notamment dans l'aérodynamique et le champ électrostatique, associée à des mesures expérimentales, devraient aboutir à un modèle simplifié des trajectoires des gouttes et donc de la projection de peinture.