Ce travail de thèse concerne la formulation et la mise en œuvre d'un ensimage thermoplastique, respectueux de l'environnement et utilisable à une échelle industrielle. La première étape du projet a été d'adapter les moyens et les ingrédients de formulation aux contraintes industrielles. La formule d'ensimage est basée sur une dispersion aqueuse de particules de polymère thermoplastique (PEI) obtenue par la technique d'émulsion/évaporation. Le choix de la technique de dispersion et du solvant volatil ont été les premières modifications apportées à la formulation d'ensimage qui existait à l'échelle laboratoire. Une optimisation de la dispersion aqueuse a été nécessaire pour répondre aux contraintes industrielles de stabilité, de température et de mise en œuvre. La seconde étape a été l'optimisation de la dispersion aqueuse d'ensimage par une modélisation prédictive puis sa validation expérimentale. L'étude prédictive (QSPR) a permis de se focaliser sur deux paramètres essentiels influençant la stabilité de la dispersion : la vitesse d'émulsification et la concentration en tensioactif. La validation expérimentale nous a permis de confirmer l'importance de ces paramètres et ainsi mieux maîtriser l'élaboration des dispersions. Afin de répondre aux exigences industrielles, notamment en termes de comportement rhéologique, une nouvelle formule d'ensimage a été élaborée. Cette dernière met à profit le comportement viscoélastique de tubules formés par l'association CTAC/acide salicylique, pour préparer des dispersions aqueuses stables. Il s'agit là du premier exemple d'utilisation de tubules pour disperser dans l'eau des particules de polymère par la technique d'émulsion/évaporation. La stabilité de la dispersion a été mesurée à 22h et les propriétés de la dispersion permettent une redispersion aisée de la formulation même après déstabilisation. Enfin cette dispersion d'ensimage a fait l'objet de tests laboratoires et pilotes pour réaliser, respectivement, un film sur plaques de graphite et un ensimage sur fibres de carbone HexTow(r) IM7 sur la chaîne d'ensimage de notre partenaire industriel. Les résultats ont montré un ensimage abondant et qui montrait de bonnes propriétés d'adhésion dans le matériau composite final. Cette dispersion d'ensimage a été brevetée par Airbus Defence & Space. / This PhD project is related to the development of an eco-friendly thermoplastic sizing formulation and its implementation as sizing, usable at an industrial scale. The first step of the project was to adjust the preparation and the ingredients of this formulation to the industrial requirements. The sizing formulation is based on an aqueous dispersion of thermoplastic polymer particles (PEI) obtained by an emulsion/solvent evaporation process. The choice of the dispersion method and the volatile solvent were the first modifications achieved on the sizing formulation which was available at a laboratory scale. An optimization of the aqueous dispersion was necessary to meet the industrial requirements of stability, temperature and implementation. The second step was the optimization of the aqueous sizing dispersion by a predictive model, and then its experimental validation. The predictive study (QSPR) permitted to focus on two essential parameters affecting the stability of the dispersion: the stirring speed and the surfactant concentration. The experimental validation permitted to confirm the importance of these parameters and consequently a better understanding of the dispersion process. In order to satisfy the industrial requirements, especially in terms of rheological behavior, a new sizing formulation was elaborated. This latter takes advantage of the visco-elastic behavior of the tubules formed by the association CTAC / salicylic acid, to formulate stable aqueous dispersions. This is the first example of use of tubules to disperse polymer particles in water by emulsion/solvent evaporation process. The stability of dispersion was measured to 22 hours and the proprieties of this dispersion permit an easy redispersion of formulation even after destabilization. Finally, this sizing dispersion was tested in laboratory and industry to make, respectively, film on carbon slab and sizing on carbon fibers HexTow(r) IM7 using industrial sizing means. The results showed an abundant sizing and good adhesion properties in the final composite material. This sizing dispersion was patented by Airbus Defence & Space.

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.

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.

Le contexte environnemental actuel conduit les constructeurs automobiles à diminuer les émissions globales de CO2. Afin de répondre à cet objectif, plusieurs voies sont accessibles mais l’allègement de la structure du véhicule apparaît comme la solution la plus prometteuse grâce à la substitution des pièces métalliques par des matériaux composites et plus particulièrement des composites thermoplastiques à matrices acryliques. Cette étude s’est donc intéressée à développer et caractériser plusieurs formulations à base acrylique afin d’identifier les différents leviers (choix du monomère / condition de polymérisation) permettant d’atteindre une polymérisation rapide (< 3 à 5 min) adaptée aux hautes cadences de l’industrie automobile. Le moulage par transfert de résine (RTM) ayant été choisi comme procédé de mise en œuvre, une seconde étape de travail a été de caractériser l’évolution de la viscosité au cours de la polymérisation. En disposant des mesures cinétiques et rhéologiques, il a aussi été possible, par modèle inverse, de proposer un suivi in-situ de la polymérisation via la corrélation des données par des mesures diélectrométriques. Puis, dans une optique d’amélioration de la tenue chimique du PMMA, la synthèse d’un polymère réversible présentant alternativement une structure tridimensionnelle et une structure linéaire a été réalisée. Ainsi, grâce à la préparation d’un comonomère présentant des fonctions Diels-Alder, il a été possible d’obtenir un polymère ayant la capacité d’emprunter les propriétés de résistance chimique des réseaux thermodurcissables tout en conservant l’aptitude à la transformation des thermoplastiques. Enfin, une dernière étude s’est portée sur le renforcement du PMMA par mélange avec différents polymères. Ainsi, grâce à un choix judicieux de polymères présentant des caractéristiques physico-chimiques intéressantes, il a été possible d’améliorer significativement la tenue en température mais également la résistance au choc de la matrice acrylique développée. / Nowadays, polymer matrix composites are widely used for aerospace, automotive, railway and sport industries. For similar structural properties, these materials coul be very attractive since they could be 30 to 40% lighter than metallic counterparts. In the current context of environmental development issues, thermoplastic-based composites, (in our case acrylic matrix based one), can be considered as they can be easily recycled as opposed to thermoset-based ones. Furthermore, they could exhibit good mechanical properties, i.e. stiffness and impact resistance, enabling them to be relevant for many applications. Manufacturing structural composites requires to produce parts without defects having complex geometries. For this purpose Resin Transfer Molding (RTM) has been selected to process such composites. Indeed, it corresponds to a low temperature closed-mold process allowing for manufacturing complex continuous fiber-based-reinforced parts. However, it requires precursors with a very low viscosity (η < 1 Pa.s) to ensure a good impregnation of the dry preform. To be cost effective, fast reactive systems have also to be selected. Thermoplastic polymers which own a very high viscosity in molten state cannot be directly used. Our strategy is to design an acrylic-based reactive formulation exhibiting a very low initial viscosity, i.e. about 100 mPa.s and which can subsequently polymerizes via a free radical mechanism once the mold is filled and the preform fully impregnated. Therefore, our main objective is to optimize curing conditions (especially thermal initiator ratios and temperature) of RTM-compatible acrylic-based reactive formulations to lead to suitable composite parts with high conversion rate, low residual monomer content and relevant process cycles.