Le comportement rhéologique des mélanges de polymères non miscibles a été étudié en écoulement élongationnel uniaxial et en cisaillement. Des observations en microscopie électronique sur des échantillons avant et après déformation ont été réalisées afin d'élucider le lien entre la réponse en contrainte et l'évolution de la morphologie des mélanges semi concentrés. La combinaison des résultats obtenus en rhéologie et de l'examen morphologique a permis de comprendre la contribution de l'interface dans la contrainte totale du mélange, notamment pendant la relaxation. Des expériences réalisées sur des échantillons compatibilisés ont montré que la réponse rhéologique des mélanges est considérablement modifiée par la présence des molécules de copolymère adsorbées à l'interface goutte/matrice. L'examen morphologique de ces échantillons a permis de mettre en évidence un comportement morphologique différent de celui des systèmes non compatibilisés. La contribution de l'interface dans la contrainte totale est donc modifiée, ce qui explique le comportement rhéologique particulier des mélanges compatibilisés. Le rôle du copolymère dans l'amélioration de l'adhésion interfaciale a été examiné sous différents types d'écoulement. Les résultats montrent que l'incorporation d'une faible quantité de copolymère s'accompagne d'une augmentation de la viscosité des mélanges témoignant ainsi d'une amélioration des propriétés interfaciales. L'examen morphologique des mélanges montre en effet que la présence du copolymère se traduit par l'obtention d'une morphologie fine et une meilleure adhésion entre les deux phases du mélange. L'évolution de la morphologie a également été étudiée par le moyen de visualisation en temps réel sur des gouttes isolées dans un champ de cisaillement. Ces expériences ont permis de relever certains effets relatifs à l'élasticité des phases sur le mécanisme de déformation et sur les conditions de rupture des gouttes. Des modes de déformation inusités ont été observés pendant la déformation transitoire notamment pour des systèmes formés de gouttes viscoélastiques dans une matrice newtonienne. / Rheological behavior of immiscible polymer blends has been studied in both elongation and shear flow. Scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM) observations have been carried out on samples before and after deformation to relate the rheological response to morphology development for semi-concentrated mixtures. The rheological results coupled with morphological analysis allow to clearly identify the contribution of the interface to total stress, especially upon the relaxation step. Experiments carried out on compatibilized samples show that the rheological response of polymer blends is widely affected by the presence of copolymer molecules within the drop/matrix interface. TEM observations show that the morphological behavior is highly affected by the presence of copolymer molecules within the interface, which modifies the interfacial contribution in the total stress and consequently the rheological behavior of copolymer modified blends. The effect of copolymer on interfacial adhesion enhancement has been analyzed during various flow types. The results show that the addition of a small amount of copolymer leads to an enhancement of viscosity of the blends, thus confirming the improvement of interfacial properties. Morphological analysis of deformed and undeformed samples shows that finer morphology and better interfacial adhesion are obtained for compatibilized Systems. The deformation and break-up of isolated liquid drops immersed in a liquid matrix have been studied in simple shear flow via in-situ visualisation experiments. These experiments elucidated some of the effects of phase elasticity on both deformation mechanism and break-up conditions. Moreover, unusual deformation modes have been observed upon transient deformation especially in the case of viscoelastic drops.

Cette thèse propose un nouveau concept d'analyse, de quantification et de prédiction de la fatigue mécanique d'un polymère amorphe à l'aide d'une méthode basée sur la décomposition de la contrainte via la transformation de Fourier. En particulier, des essais de fatigue ont été réalisés sous déformation contrôlée en torsion et en tension/tension. La déformation, le couple et la force ont été enregistrés en fonction du temps et décomposés en contributions linéaires et non-linéaires, quantifiés par des harmoniques plus élevées. De plus, trois concepts ont été développés pour déterminer quantitativement le comportement mécanique des échantillons en fonction du temps. Premièrement, il a été établi que la génération de fissures macroscopiques était en corrélation avec l’augmentation soudaine de l’intensité de I2/1. Deuxièmement, une méthode directe pour prédire la durée de vie en fatigue a été développée, basée sur le taux de changement de I3/1 par rapport au nombre de cycle N (dI3/1/dN) avant l'apparition de la rupture. Cette prédiction s'est avérée beaucoup plus précise que les prédictions des courbes de Wöhler puisque les corrélations présentent en moyenne des écarts-types beaucoup plus faibles (30 vs 60%). Troisièmement, un critère de fatigue basé uniquement sur la non-linéarité mécanique a été développé, appelé la non-linéarité cumulée Qf. Ce paramètre corrèle l'intégrale de la non-linéarité Q (Q = I3/1/yo²) jusqu'à la rupture avec le nombre de cycles à la rupture Nf. L'écart-type de la corrélation Qf vs Nf s'est avéré inférieur à 30%, indiquant que Qf est un critère de fatigue plus précis que ceux couramment utilisés tels que la densité d'énergie dissipée cumulée ou la contrainte cumulée (±50%). Enfin, ces trois concepts ont été appliqués avec succès dans différentes conditions (type de déformation, plage de fréquence, amplitude de déformation) et différents polymères tels que le polystyrène (PS), le polyméthylméthacrylate (PMMA), le styrène acrylonitrile (SAN) et le polytertbutylméthylacrylate (PtBMA). / This thesis proposes a new framework to analyse, quantify and predict the mechanical fatigue of amorphous polymer using a method based on the decomposition of the stress response via Fourier transform. In particular, fatigue tests were performed under strain controlled torsion and tension/tension deformation and the time data of the strain, torque and force were recorded and decomposed into linear and nonlinear contributions via higher harmonics. In particular, three concepts have been developed to quantitatively determine the time behavior of the samples. Firstly, the generation of macroscopic cracks was found to correlate with sudden increases in the I2/1 intensity. Secondly, an on-line method to predict the fatigue lifetime was developed, based on the rate of change of I3/1 with respect to the cycle number N (dI3/1/dN) before the onset of failure. This prediction was found to be more precise than Wöhler curves predictions since the correlations have on average much lower standard deviations (30 vs. 60%). Thirdly, a fatigue criterion solely based on mechanical nonlinearity was developed: the cumulative nonlinearity Qf. This parameter correlates the integral of the nonlinearity Q (Q = I3/1/yo²) until failure with the number of cycles to failure Nf. The standard deviation of the Qf vs. Nf correlation was found to be less than 30%, indicating that Qf is a more precise fatigue criterion than commonly used ones such as the cumulative dissipated energy density or the cumulative stress (±50%). Finally, these three concepts were successfully applied on different conditions (type of deformation, range of frequency, deformation amplitude) and polymers such as polystyrene (PS), polymethylmethacrylate (PMMA), styrene acrylonitrile (SAN) and polytertbuthylmethacrylate (PtBMA).

Cette thèse porte principalement sur la compréhension des relations entre la microstructure et les propriétés rhéologiques des nano-composites à base d’un copolymère d’éthylène-acétate de vinyle (EVA). La première partie de l'étude concerne les nano-composites d’EVA avec de la cellulose nanocrystalline (NCC). Cette partie cherche à inférer la structure d’échantillons inconnus à l’aide de mesures rhéologiques. En analysant les propriétés obtenues par des mesures rhéologiques en cisaillement et en élongation, les principaux mécanismes étant à l’origine du renforcement de ces nano-composites sont étudiés en détail. Dans la deuxième partie du travail, on s’intéresse aux nano-composites contenant des particules isométriques (CaCO3) et anisométrique (argile). L'objectif est de déterminer l'effet de variables structurelles comme les interactions polymère-particule et particule-particule, l'état de dispersion, et en particulier la forme des particules sur les propriétés finales. Les mécanismes par lesquels ces paramètres influencent les propriétés rhélogiques ont été abordés en lien avec les prédictions par un modèle de fonction moléculaire de contrainte (MSF). Il a été constaté que plus les particules sont non-isométriques, plus les interactions polymère-particule et les interactions entre les particules sont élevées. Ainsi, l'effet de l’argile est beaucoup plus important que celui du CaCO3, et ce pour presque tous les comportements rhéologiques étudiés. La plupart des paramètres rhéologiques ont montré une divergence autour du seuil de percolation. Par conséquent, les modèles basés sur la dynamique des chaînes (modèle MSF) ne peuvent prédire le comportement après la percolation. Pour les systèmes percolés, les modèles basés sur le réseau fractal, qui considèrent les interactions entre les particules, ont été utilisés. / The main objective of this thesis is to understand the relations between microstructure and rheological properties of polymer nano-composites based on ethylene vinyl acetate (EVA) copolymer. The first part of the study is related to EVA-nano crystalline cellulose (NCC) composites. As a first step, determination of the unknown structure of the samples using rheological methods was investigated. By analyzing the properties obtained under shear and extensional deformations, the mechanisms leading to polymer reinforcement were investigated in details. In the second part, nano-composites containing isometric (CaCO3) and anisometric (clay) particles were used. The focus here was to determine the effect of structural variables such as polymer-particle and particle-particle interactions, state of dispersion, and in particular particle shape on the final properties of these nano-composites. The mechanisms involving these parameters were investigated through rheological properties and discussed with respect to experimental data. Predictions via the molecular stress function (MSF) model are also presented. It was found that higher particle anisomety led to greater polymer-particle and particle-particle interactions. Therefore, the effect of clay was much higher than CaCO3 on almost all the rheological parameters studied. But, lower predictability was found around the percolation concentration. Consequently, while a model based on chain dynamics could predict the behavior below percolation, such model failed to predict the response at higher concentrations. For percolated systems, models based on fractal networks, which include particle-particle interactions, were used.

La première partie de cette thèse présente la préparation et la caractérisation des nanocomposites (LCPCNs) composés d'une matrice de polymère à cristaux liquides thermotropique (LCP, Vectra B950) contenant des nanoparticules de montmorillonite (argile) organiquement modifiée (OMMT). Des LCPCNs contenant deux concentrations de nanoparticules OMMT (1.3 et 2% massiques) ont été préparés par le procédé d'extrusion. Différentes techniques de caractérisation, telles que la diffraction des rayons X (XRD), la microscopie électronique à transmission (TEM), la calorimétrie différentielle (DSC), l'analyse thermogravimétrique (TGA) et l'analyse mécanique-dynamique (DMA) ont été utilisées pour caractériser la matrice LCP et les nanocomposites LCPCNs développés. Les patrons XRD ainsi que les observations microscopiques TEM ont montré 1'intercalation des nanoparticules OMMT au sein de la matrice LCP et ce pour les deux compositions en OMMT. Aussi, les patrons XRD(2D) ont montré qu'un certain ordre très peu smectique était présent dans le polymère LCP. Cependant, dans le cas de LCPCNs, les chaînes LCP tendaient à s'orienter dans la direction des lamelles d'OMMT dispersées. Les balayages DSC ont montré que, durant le premier chauffage, le premier de pic fusion représente la transition de la phase cristalline à nématique et, après cela, une isotropisation a eu lieu. Les analyses TGA ont montré deux différents types de comportements de dégradation des échantillons LCP et LCPCN dans les environnements inertes et oxydants. Les résultats de DMA ont montré une amélioration des modules élastiques, de stockage et de perte des LCPCNs avec l'augmentation de la concentration en OMMT. La seconde partie de la thèse présente les propriétés rhéologiques à l'état fondu de la matrice LCP et des nanocomposites LCPCNs à la fois dans les zones viscoélastiques linéaires et non linéaires (en modes oscillatoires et rotationnels). Cette caractérisation rhéologique a montré que les LCPCNs les plus chargés en OMMT présentent des structures partiellement réticulées presque sans défauts comparativement aux LCPCNs les moins chargés en OMMT et aussi les LCP purs. Les mesures de relaxation des contraintes (domaine linéaire) ont révélé que, après l'imposition d'une déformation constante pendant une période spécifique, le LCP pur relaxe plus rapidement que les LCPCNs. Lors de l'essai de relaxation, il a été observé qu'un taux de cisaillement élevé modifie très rapidement les défauts dans le LCP pur et probablement atteint presque une position d'équilibre, tandis que les LCPCNs ont montré un fort comportement rhéofluidifiant. Afin de mieux comprendre les propriétés rhéologiques inhabituelles des LCPCNs à l'état fondu, les variations de la dispersion des nanoparticules OMMT dans la matrice LCP ainsi que le changement de la croissance des cristaux du LCP ont été largement étudiés par la technique de diffusion des rayons X aux petits et grands angles. La technique Généralisée de la Transformation de Fourier développée par Glatter a été utilisée pour caractériser l'état de dispersion des nanoparticules OMMT en fonction de la température. Il s'agit d'une nouvelle approche que nous avons récemment proposée pour une analyse quantitative de la dispersion plutôt qu'une analyse qualitative. La troisième partie de la thèse est dédiée à la préparation de nanocomposites à base de poly(éthylène terephthalate) (PET) ainsi qu'à la caractérisation de la croissance des cristaux dans le PET pur et les nanocomposites préparés. Deux nanocomposites à base de PET (PETCNs) avec des concentrations en poids de OMMT égales à 1.3 et 2% ont été préparés par extrusion. Les patrons de diffraction des rayons X ainsi que les images TEM ont révélé la formation de nanocomposites avec des nanoparticules OMMT intercalées. Les comportements de fusion et de cristallisation du PET pur et des PETCNs ont été étudiés en utilisant les techniques de DSC classique et DSC à température modulée (TMDSC). Les résultats de DSC sur des échantillons moulés par compression ont montré des fusions successives avec un pic endothermique, accompagné d'un épaulement pour les PETCNs. Les résultats de DSC et de TMDSC pour les échantillons trempés ont montré que la fusion suivie d'une cristallisation froide. Pour tous les échantillons, les résultats de TMDSC ont également confirmé que la fusion est associée au phénomène de recristallisation. Les résultats de la caractérisation DMA ont montré que les PETCNs ont subi une amélioration considérable du module dans la gamme de températures étudiées. Cependant, l'effet de la variation de la concentration en nanoparticules OMMT est minime. Afin de mieux connaître la cinétique de croissance cristalline (non isotherme) du PET pur et du PETCNs, les modèles D'Avrami, d'Ozawa et d'Avrami-Ozawa ont été utilisés. Différents paramètres cinétiques déterminés à partir de ces modèles ont démontré que les nanoparticules OMMT intercalées étaient efficaces pour démarrer plus tôt la cristallisation par nucléation. Cependant, la croissance des cristaux était moins rapide en raison de l'intercalation de chaînes de polymères entre les lamelles OMMT. Les observations de la microscopie optique en lumière polarisée appuient aussi les résultats de la DSC. Les énergies d'activation pour la cristallisation estimées par les trois modèles (Augis-Bennett, Kissinger et Takhor) ont montré la tendance suivante PETCN2 < PETCN1.3 < PET. L'effet de l'incorporation de nanoparticlues OMMT sur les propriétés thermiques des mélanges de PET/LCP est décrit dans la quatrième partie de cette thèse. Des mélanges PET/LCP (80/20) et des nanocomposites à base de ces mélanges ont été préparés par extrusion bi-vis. Les analyses morphologiques des mélanges PET/LCP ont montré que l'ajout de nanoparticules OMMT favorise une structure à phases séparées du mélange PET/LCP. Une étude détaillée sur les propriétés thermiques du mélange PET/LCP et du nanocomposite PET/LCP/OMMT a été réalisée à l'aide des techniques DSC et TMDSC. Les résultats ont montré un comportement de fusion complexe comportant une succession de fusion et de recristallisation. Enfin, la cinétique de croissance des cristaux (non-isotherme) dans les mélanges PET/LCP et les nanocomposites PET/LCP/OMMT a aussi été caractérisée à l'aide de divers modèles tels que ceux d'Avrami, Ozawa et Avrami-Ozawa. La dernière partie de cette thèse présente les résultats des travaux sur la relation structure-propriétés des mélanges PET/LCP (80/20) développés par extrusion et des nanocomposites PET/LCP/OMMT (1.3 et 2.8% massiques de OMMT) en fonction de la fréquence d'oscillation et de la température. Les expériences de balayage en fréquence sous déformation constante et à différentes températures ont été réalisées à l'état solide à l'aide de la technique DMA. Celles de balayage en température des mélanges PET/LCP purs et des nanocomposites PET/LCP/OMMT ont été effectuées dans le but de déterminer la variation des modules de flexion, de stockage et de perte ainsi que les valeurs tanS correspondantes en fonction de la température. Afin de mieux comprendre les modifications de stmcture des nanoparticules OMMT dispersées dans la matrice PET/LCP, le degré d'anisotropie ainsi que les valeurs moyennes de l'orientation des lamelles OMMT ont été caractérisés à l'aide de la technique de diffusion de la lumière aux petits angles, avant et après les caractérisations sous balayage en fréquence and en température.

Statics, dynamics, rheology and scission-recombination kinetics of self-assembling linear micelles are investigated at equlibrium state and under shear flow by computer simulations using a newly proposed mesoscopic model. We model the micelles as linear sequences of Brownian beads whose space-time evolution is governed by Langevin dynamics. A Monte Carlo algorithm controls the opening of a bond or the chain-end fusion. A kinetic parameter omega modelling the effect of a potential barrier along a kinetic path, is introduced in our model.<p>For equilibrium state we focus on the analysis of short and long time behaviors of the scission and recombination mechanisms. Our results show that at time scales larger than the life time of the average chain length, the kinetics is in agreement with the mean-field kinetics model of Cates. By studying macroscopic relaxation phenomena such as the average micelle length evolution after a T-jump, the monomer diffusion, and the zero shear relaxation function, we confirm that the effective kinetic constants found are indeed the relevant parameters when macroscopic relaxation is coupled to the kinetics of micelles.<p>For the non-equilibrium situation, we study the coupled effects of the shear flow and the scission-recombination kinetics, on the structural and rheological properties of this micellar system. Our study is performed in semi-dilute and dynamically unentangled regime conditions. The explored parameter omega range is chosen in order for the life time of the average size chain to remain shorter than its intrinsic (Rouse) longest relaxation time. Central to our analysis is the concept of dynamical unit of size Lambda, the chain fragment for which the life time tau_Lambda and the Rouse time are equal. Shear thinning, chain gyration tensor anisotropy, chain orientation and bond stretching are found to depend upon the reduced shear rate Beta_Lambda=gamma dot*tau_Lambda while the average micelle size is found to decrease with increasing shear rate, independently of the height of the barrier of the scission-recombination process. / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished