Ce projet traite de l'effet des lignes de soudure sur le polypropylène renforcé de fibres de verre et moussé par injection. Une analyse morphologique au niveau des bulles et des fibres ainsi que des essais de résistance mécanique en flexion, en torsion et en traction ont été réalisés. L'analyse des photos prises au microscope électronique démontre une orientation des fibres parallèle à l'écoulement sauf à la ligne de soudure où elles sont perpendiculaires. De plus, la taille des bulles augmente en fonction de la réduction de la densité (40-53 ^m). L'analyse mécanique donne un aperçu de l'effet de la ligne de soudure et du moussage. En flexion ainsi qu'en traction, une chute radicale (entre 30 et 70%) des propriétés mécaniques des spécimens avec ligne de soudure a été observée dans la plupart des cas comparativement aux échantillons de même densité mais sans ligne de soudure. Les modules d'élasticité en torsion ont connu une légère hausse allant jusqu'à 14% pour les échantillons avec ligne de soudure en fonction de leurs homologues de même densité qui n'en possédaient pas. Ces deux situations s'expliquent par la morphologie des mousses et l'orientation préférentielle des fibres. Le but de cette recherche est de comprendre ce qui se passe au niveau de la ligne de soudure lorsqu'il y a un moussage en présence d'un renforcement de fibres.

Les contributions de cette thèse de doctorat sont focalisées sur les développements de formulations à base de polymères bio sourcés et déliantable à l’eau basés sur l’emploi d’acétate butyrate de cellulose (CAB) et de polyéthylène glycol (PEG). Ces nouvelles formulations ont été appliquées sur différentes nuances de poudres métalliques (invar) et céramiques (zircones). Ces matériaux possèdent une bonne stabilité dimensionnelle sous une large gamme de température imposée et possèdent de très bas coefficients d’expansion thermique.L’objective est l’étude et la compréhension du comportement des liants à base de CAB et PEG quand ils sont utilisés dans les variantes du procédé MIP (étapes de moulage avec ou sans pression, conditions particulières liées à la micro-injection, …) réalisées avec différentes nuances de poudres et différentes granulométries.Les caractéristiques intrinsèques de chaque CAB, leurs interactions avec le PEG et les poudres, l’influence de la nuance de poudre employée, ainsi que la granulométrie et la morphologie des poudres employées ont été étudiées et analysées en fonction du comportement final de la formulation développé et des taux de charges obtenues.L’homogénéité des mélanges développés, leurs taux de charge critique et maximal, ainsi que leurs comportements mécaniques, thermiques et rhéologiques ont été analysés et investigués par différentes études mécaniques, thermo et physico-chimiques. De nouvelles analyses chimiques et physiques ont été introduites par accroitre les connaissances sur les formulations développées. Les formulations optimales ont été validées pour différentes applications et avec l’emploi de différentes variantes du procédé MIP conduisant à l’élaboration de composants et de micro-composants PIM obtenus sans défauts et possédant d’excellentes propriétés fonctionnelles. L’étape de déliantage ainsi que l’étape de densification ont été optimisées en termes de cinétique et d’atmosphère aboutissant aux propriétés physiques et mécaniques escomptées pour l’ensemble des nuances de poudres considérées dans cette étude.En conclusion, les formulations développés des liants basées sur l’emploie de CAB et PEG sont exploitable au niveau de la recherche et au niveau industriel dans le procédé MIP. Elles apportent des améliorations par rapport aux liants conventionnels grâce à un procédé plus écologique. Cette première contribution représente une avancée significative dans l’émergence d’un procédé MIP plus écologique mais d’autres travaux futurs sont encore possibles. / This PhD Thesis studied the use of binders based on cellulose acetate butyrate (CAB) andpoly(ethylene glycol) (PEG) in different type of materials, including a ceramic, the zirconiumsilicate, and a metallic alloy, the Invar 36. These materials share their low dimensionalstability with temperature with low coefficients of thermal expansion.The scope of this work is the study and comprehension of the behaviour of the mentionedbinder systems when they are employed in different PIM processes and under differentconditions and powder-types. With regard to this matter, different formulations were designedwith several types of PEG and CAB. These formulations were compared with commercialones. The intrinsic characteristics of each CAB were linked with the behaviour of the differentfeedstock also containing PEG and powder particles. The mixtures homogeneity, the optimumand critical solid loading and its flowability were assessed by torque and capillary rheology.Other complementary techniques such as electronic and light microscopy or the measurementof the mixtures densities by pycnometry were carried out to contrast rheology results. Thecompatibility between the feedstocks’ components and their thermal behaviour were analysedby calorimetry and thermogravimetry techniques. These methods were employed by the firsttime to determine the optimal solid loading.The optimal compositions were injected by using low or high pressures or by a micro injectionmoulding process. The debinding and sintering stages were optimised using severalatmospheres. Finally, the physical and mechanical properties of the final consolidated partswere measured.It could be concluded that the studied binder systems based on PEG and CAB presentedsuitable characteristics for PIM, providing improvements with respect to conventional bindersystems and by a more environmental friendly processing. However, that doctoral work wasjust a first approach to the use of these types of binder systems in PIM. Along this workseveral issues were detected and some topics regarding the processing should be furtherinvestigated to obtain the best of these binder systems.

L’incorporation de fibres végétales, différentes par leur origine, leur nature chimique et leur forme, a été effectuée dans deux matrices thermoplastiques : le poly(acide lactique) et la farine de blé thermoplastifiée. Ces deux matrices biodégradables et biosourcées ont elles aussi des natures chimiques et des propriétés thermo-mécaniques différentes. Des incorporations de fibres jusqu’à 40 % en poids ont permis de modifier considérablement les propriétés de base des matrices et d’améliorer certaines de leurs faiblesses (stabilité thermique, manque de rigidité…). Les fibres de miscanthus ont été sélectionnées comme étant les plus performantes pour l’amélioration des propriétés des deux matrices. Les propriétés des matériaux composites ont été ajustées par un travail sur la formulation du mélange (ajout de plastifiants) et l’optimisation du procédé complet, jusqu’au moulage par injection. L’incorporation des fibres dans un mélange compatibilisé des deux matrices a également été testée et réalisée en une seule étape d’extrusion, comprenant la plastification de la farine, le mélange des polymères et la dispersion des fibres. / Incorporation of vegetal fibres, differing by their source, their chemical composition and their shape, have been performed by twin screw extrusion in two thermoplastic matrices: the poly(lactic acid) and the thermoplastified wheat flour. These two biobased and biodegradable matrices have also different chemical character and thermo-mechanical properties. Fibre incorporation up to 40 % in weight considerably modified both matrix properties and improved several weaknesses (thermal stability, lack of stiffness…). Miscanthus fibres have been selected as best improvers for properties of both matrices. Materials properties were adjusted with a formulating work (addition of plasticizers) and whole process optimization, until injection-molding. Fibre incorporation in a compatibilized blend of the two matrices was also tested and performed in a one step extrusion process, including flour thermoplasticization, polymer blending and fibre dispersion.

Ce travail est dédié à l'étude des mécanismes clés contrôlant l'écoulement linéaire et non-linéaire ainsi que l'état de dispersion des polymères fondus chargés avec des particules submicrométriques. La compréhension fondamentale est ensuite appliquée au procédé de moulage par injection céramique lors duquel un mélange-maître (i.e., une formulation complexe à base de polymères et avec un haut taux de charges de particules de céramique) est injecté dans un moule puis délianté et fritté. Un premier chapitre présente les caractéristiques principales du procédé, l'état de l'art de la compréhension des mécanismes concernés, ainsi que plus généralement, les forces d'interaction en jeu dans les polymères chargés. Ensuite, l'étude se focalise sur le polyéthylène chargé en zircone. Tout d'abord, le rôle de l'interface charge-matrice dans les propriétés rhéologiques et morphologiques est discuté. Il est montré qu'elles sont fortement influencées par la compatibilité de la charge avec la matrice. Une méthode expérimentale est développée pour ajuster la qualité de l'interface. En particulier, l'acide stéarique est déterminé comme étant le surfactant le plus efficace. La cinétique d'hydrophobisation des particules induite par l'estérification est analysée. Par la suite, les mécanismes de dispersion dans les polymères chargés sont explorés. Par exemple, il est conclu que l'acide stéarique et l'extrudeuse à fort cisaillement promeuvent la rupture et l'érosion des agglomérats. Leurs effets sur le comportement rhéologique (i.e., seuil de percolation, contrainte d'écoulement et modulus élastique dynamique) sont discutés. Enfin, la stabilité des polymères chargés, i.e., leur tendence à la floculation et à la ségrégation matrice-charge, est évaluée au repos et à haut taux de cisaillement. Deux méthodes expérimentales sont développées pour cette étude plus appliquée. Le rôle crucial de l'état de dispersion est notamment mis en avant / This work aims to investigate the relevant mechanisms controlling the linear and non-linear flow behaviors and dispersion state of molten polymers filled with submicrometer particles. The fundamental understanding is then applied to the Ceramic Injection Molding process, during which a feedstock (i.e., a complex polymer based formulation, highly filled with ceramic particles) is injected into a mold, debinded and sintered. A first chapter presents the key features of the process, a state of the art of the understanding of the involved mechanisms and more generally the interplaying interaction forces in filled polymers. Then, the study focuses on zirconia filled polyethylene. Firstly, the role of the filler-matrix interface in the rheological and morphological properties is discussed. It is shown that they are strongly influenced by the compatibility of the filler with the matrix. An experimental method is developed to adjust the interface quality. In particular, stearic acid is determined to be the most efficient surfactant. The kinetics of particles hydrophobization induced by the esterification is analyzed. Then, the dispersion mechanisms in filled polymers are explored. For instance, it is concluded that stearic acid and the high shear extruder promote the rupture and erosion of agglomerates. Their effects on the rheological behavior (i.e., percolation threshold, yield stress and dynamic storage modulus) are discussed. Finally, the stability of filled polymers, i.e., tendency to flocculation and filler-matrix segregation, is evaluated at rest and under high shear rates. Two experimental methods are developed for this more applied study. The crucial role of the dispersion state is for instance highlighted

La formation de rayures sur les surfaces polymères est une problématique affectant de nombreuses industries dans les secteurs de l'emballage, du transport, de l'optique ou de l'électroménager. Peu d'études académiques ont pour objet la compréhension du comportement à la rayure des polymères semi-cristallins. Le problème est complexe car ce sont des matériaux hétérogènes par nature. De plus, leur mise en œuvre par injection, technique fortement répandue, induit une hétérogénéité de structure supplémentaire dite "cœur-peau". Ce travail apporte de nouvelles connaissances sur le rayage du polypropylène injecté au moyen d'une étude multi-échelle des relations entre microstructure, propriétés mécaniques et comportement à la rayure.<br />L'analyse fine des propriétés de surface du polypropylène injecté, puis du matériau ayant subi des variations de conditions de mise en oeuvre et de formulation, a permis de définir des paramètres pertinents pour caractériser la résistance à la rayure. Ainsi, le caractère ductile ou fragile du matériau a été relié à une dimension critique. A partir de l'observation que le polypropylène se déforme de manière ductile dans les conditions d'essais retenues, l'amélioration de la résistance à la rayure de ce polymère nécessite d'augmenter la dureté du matériau. De façon plus explicite, le critère établi en termes de rapport entre élasticité et plasticité (ou E/H) a permis d'optimiser cette propriété d'usage et de justifier l'ajout d'un agent nucléant de phase bêta ou l'introduction de charges de type noir de carbone.

Ce travail est une analyse comparative du potentiel de certains types de fibres de bois issues de résidus de première transformation dans la fabrication des composites bois/thermoplastiques. Les fibres analysées proviennent des essences suivantes : le thuya occidental (Thuja occidentalis L.), le pin gris (Pinus banksiana Lamb) et l'épinette noire (Picea mariana (Mill.)). Les effets des facteurs suivants sur la performance des matériaux composites bois/thermoplastique ont été analysés : l'essence de bois, l'origine des fibres (fibres de duramen ou d'aubier), la taille des particules de bois, les proportions dans le mélange et les procédés de mise en forme (injection, extrusion et thermo-compression). L'effet de la variabilité spécifique de la surface des fibres de bois sur la qualité de l'interface bois/thermoplastique a été étudié grâce à la méthode spectroscopique infrarouge en réflectance diffuse à transformée de Fourier (DRIFT) et la spectroscopie des photoélectrons par rayon-X (XPS). Une concentration élevée de lignine et d'extractibles sur la surface des fibres a été présentée comme principal facteur qui inhibe l'établissement d'un lien entre l'agent de couplage à base d'anhydride et le bois. L'analyse du développement des fibres de bois, avant et au cours de leur mise en forme, a montré que la forme et la longueur des fibres sont réduites dépendamment des procédés utilisés et de l'essence. Une caractérisation mécanique dynamique des matériaux composites en question ainsi que l'effet des différents types de résidus ligno-cellulosiques sur la relaxation de la chaine moléculaire de la matrice thermoplastique, i.e. HDPE, a été investiguée. Le comportement rhéologique des matériaux composites bois/thermoplastique dans le domaine viscoélastique linéaire a été analysé à travers les modèles mécaniques analogiques.

Durant ces dernières décennies les matériaux composites organiques ont subi un très grand essor dans le domaine des structures aéronautiques. Leur principal avantage est d’alléger les structures tout en gardant de bonnes propriétés mécaniques. De plus, leur microstructure leur permet d’avoir un caractère multi-fonctionnel, ce qui facilite leur intégration pour remplacer les technologies existantes. Dans l’industrie aéronautique, il existe un besoin croissant de grande quantité de petite et moyenne pièces (clips, éléments de jonctions). Cependant, il est aujourd’hui difficile de fabriquer en série des pièces ayant des formes tridimensionnelles complexes par des procédés conventionnels (autoclave). Ainsi, l’orientation envisagée est d’utiliser les procédés de la « famille » automobile pour des applications aéronautiques « semi-structurales », comme le moulage par injection de composites thermoplastiques renforcés de fibres courtes. Cette application nécessite une maîtrise et une fiabilisation du procédé ainsi que des propriétés induites. Ceci a été réalisé par l’identification et la quantification des effets des paramètres qui influent significativement sur la microstructure et les propriétés macroscopiques, par un plan d’expériences. De plus, le dimensionnement de telles pièces requiert une modélisation robuste du comportement mécanique pour prédire au mieux leur capacité d’utilisation. Les données sur la microstructure ont permis d’alimenter un modèle micromécanique comportant un critère d’endommagement de l’interface fibre/matrice. Développé sur un code éléments finis industriel, il a permis de prédire les résultats expérimentaux d’une pièce industrielle. / During the last decades, organic composite materials have undergone great development in the field of aeronautical structures. Their main avantage is to reduce the structures weight while maintaining good mechanical properties. In addition, their microstructure allows them to have a multi-fuctional nature, which facilitates their integration to replace existing technologies. In the aviation industry, there is a growing need for large amount of small and medium parts (clips, connecting elements). However, nowadays it is difficult to produce parts with complex by conventional methods dimensional shapes (autoclave). Thus, the considered path is tu use methods of the automotive “family” for “semi-structual” aerospace applications such as injection-moulding of thermoplastic composites reinforced by short fibres. This application requires a mastery and reliability of the process and the induced properties. This was achieved by the identification and quantification of the parameters effects that significantly influence the microstructure and macroscopic properties, by a design of experiments. Moreover, the dimensioning of such parts requires a robust mechanical behabior modelling to predict the best use of their capacity. The data on the microstructure enable to feed a micromechanical model featuring damage criteria of the fiber/matrics interface. Developed on a industrial finite element code, it was used to predict the experimental results of an industrial part.

La famille des élastomères silicones LSR (Liquid Silicone Rubber) de haute technicité est identifiée comme celle possédant les plus forts arguments de développement au cours des prochaines décennies en raison de leurs propriétés spécifiques et de leurs facilités de mise en forme en grande série. Notamment, le moulage par injection du LSR sur d’autres matières telles que les thermoplastiques ou les métaux est aujourd’hui possible, ce qui ouvre la possibilité d’obtenir des composants multi-matières, multi-couleurs et de nouvelles fonctionnalités. Cette thèse se concentre sur la transformation des élastomères silicones LSR dans le but de mieux appréhender les phénomènes impliqués, afin d’améliorer les procédés d’élaboration et d’optimiser les conditions de transformation des composants élastométriques mono ou bi-matières à géométrie et propriété fonctionnelle bien définie. Les comportements rhéologique, cinétique et thermique des élastomères silicones ont été étudiés et caractérisés sous des conditions réelles de mise en œuvre par différentes méthodes associées. Un modèle thermo-rhéo-cinétique a été développé et ensuite implémenté dans un code de calcul de remplissage Cadmould® pour simuler le moulage par injection des élastomères silicones LSR ou encore le surmoulage de thermoplastiques. Pour la validation des modèles choisis et des paramètres identifiés, les essais d’injection sur l’outillage industrielle instrumenté ont été réalisés et confrontés à des résultats numériques obtenus. Enfin, la caractérisation de l’adhésion et l’adhérence interfaciale entre les thermoplastiques et les élastomères silicones a été réalisé sous différentes sollicitations complexes. De plus, l’évolution d’adhérence interfaciale des assemblages collés au cours de la vulcanisation des élastomères silicones a été caractérisée par l’essai de traction en utilisant un rhéomètre rotatif sous différentes modes de chauffage. / The family of high technology silicone elastomers LSR (Liquid Silicone Rubber) is identified as having the strongest arguments for development in the coming decades due to their unique properties and easy forming in large series. In particular, the injection molding of LSR on other materials such as thermoplastics or metals is possible today, which opens the possibility of obtaining multi-material, multi-color and new features components. The work presented in this thesis focuses on the transformation of silicone elastomers in order to better understand the phenomena involved, as to improve production processes and optimize processing conditions for mono or bi-material components in geometry and property functional well defined. The rheological, curing kinetic and thermal behaviors of silicone elastomers have been studied and characterized under real conditions of production by different methods combined. A thermo-rheo-kinetic model was then developed and implemented in commercial computer software Cadmould® to simulate the injection molding process of LSR or the overmolding process of LSR on to thermoplastics. For the validation of the models chosen and the parameters identified, the injection molding tests on industrial instrumented tools were performed and compared to numerical results. Finally, the characterization of interfacial adhesion between the thermoplastic and silicone elastomers was carried out under various adhesion tests. Moreover, the evolution of interfacial adhesion in thermoplastic/silicone components during the vulcanization of silicone elastomers has been characterized by the tensile test using a rotating rheometer in different heating cycles

Les lignes de soudure apparaissent fréquemment par moulage par injection lorsque des fronts séparés de polymère fondu se rencontrent. Elles induisent une réduction significative de la résistance à la rupture et de la déformation, en particulier pour les composites. Il est donc essentiel de prévoir de façon fiable leurs propriétés mécaniques pendant la phase de conception du produit, mais les outils de simulation actuels ne sont pas encore en mesure de le faire. La littérature met en évidence deux raisons principales : une diffusion macromoléculaire incomplète de la matrice polymère aux interfaces et un changement de la distribution d'orientation des fibres. Ce travail s’est donné pour objectif de caractériser et de quantifier la contribution de ces facteurs et de contribuer à améliorer la prédiction des propriétés mécaniques des polymères renforcés de fibres courtes moulés par injection.Des échantillons en PBT renforcé de fibres de verre à 30 % en poids ont été moulées avec des lignes de soudure frontale et fuyante. Les déformations dans les essais mécaniques ont été mesurées par corrélation d'images numériques pour quantifier la localisation dans les lignes de soudure. La microstructure a été déterminée par tomographie X. Nous avons pu notamment montrer que les lignes de soudure fuyantes ne s’estompaient que très lentement et que les fronts de matière se comportent vis-à-vis de l’autre comme des parois. Un modèle physique basé sur la théorie de la reptation a été mis en œuvre pour déterminer un critère de cicatrisation de l’interface. En utilisant la distribution d’orientation mesurée et un schéma d'homogénéisation adéquat pour chaque élément dans une simulation par éléments finis, les propriétés mécaniques jusqu’à la rupture du composite ont pu être calculés et expliquent la réduction des propriétés mécaniques au niveau des lignes de soudure, sachant que les interfaces étaient entièrement cicatrisées pour le matériau de l’étude. Enfin, pour cette matrice semi-cristalline, nous avons montré la nécessité d’utiliser une loi de comportement élastoplastique avec un seuil d’endommagement dépendant de l’orientation des fibres. / Weld Lines frequently appear by injection molding when separate polymer melt fronts meet. They induce a significant reduction in the failure strength and strain, especially for composites. It is therefore essential to predict reliably their mechanical properties during the product design phase, but current simulation tools are still not able to do it. Literature points to two main reasons of WL weakness: an incomplete polymer matrix healing and a change in the fiber orientation distribution. The objective of this work is to characterize and quantify the contribution of these factors and to contribute to improving the prediction of the mechanical properties of injection molded short-fiber reinforced polymers.Samples of 30 % wt. glass fiber-reinforced PBT were injection molded with frontal and flowing weld lines. The deformations in the mechanical tests were measured by of digital image correlation to quantify the location of deformation in the weld lines. The microstructure was quantified using X-ray computed tomography scans. In particular, we were able to show that the flowing weld lines were fading very slowly and that the material fronts behave towards each other like walls. A physical model based on reptation theory was implemented to determine a criterion for interface healing. Using the measured orientation distribution and an appropriate homogenization scheme for each element of a finite elements simulation, the mechanical properties up to the failure of the composite could be calculated and explain the reduction in mechanical properties at the weld lines, knowing that the interfaces were fully healed for the study material. Finally, for this semi-crystalline polymer, we have shown the need to use an elastoplastic constitutive law with a damage threshold depending on the orientation of the fibers.

Les plastiques sont typiquement des polymères de grand poids moléculaire. Ils peuvent contenir des autres substances pour améliorer leurs performances et/ou pour réduire les prix. L'industrie plastique est l'une des industries qui a la croissance la plus rapide du monde : de nombreux produits de la vie quotidienne contiennent l'utilisation du produit plastique. Il y a différents procédés pour la mise en forme des polymères (soufflage, moulage par soufflage, moulage par compression, moulage par transfert, extrusion, moulage par injection) pour lesquels les matériaux utilisés, la qualité et la forme du produit fabriqué varient. En particulier, la demande des pièces moulées par injection augmente chaque année. Cela vient du fait que le moulage par injection est identifié comme une des techniques de fabrication les plus efficaces et économiques pour produire des pièces en plastique de formes précises et complexes. Il y a trois étapes significatives dans le processus : premièrement, on remplit la cavité avec le polymère fondu à une température et à une pression d'injection élévées (étape de remplissage et bien remplissage). Deuxièmement la chaleur de la pièce en polymère est évacuée par le système de refroidissement (étape de refroidissement). Troisièmement, après que la partie solidifiée a été éjectée, le moule est fermé et le prochain cycle d'injection commence (étape d'éjection). / Plastics are typically polymers of high molecular weight, and may contain other substances to improve performance and/or reduce costs. Plastic industry is one of the world?s fastest growing industries; almost every product that is used in daily life involves the usage of plastic. There are different methods for polymer processing (thermoforming, blow molding, compression molding of polymers, transfer molding of polymers, extrusion of polymers, injection molding of polymers, etc.) which differ by the method of fabrications, the used materials, the quality of the product and the form of the final product. Demand for injection molded parts continues to increase every year because plastic injection molding process is well known as the most efficient manufacturing techniques for economically producing precise plastic parts and complex geometry at low cost and a large quantity. The plastic injection molding process is a cyclic process where polymer is injected into a mold cavity, and solidifies to form a plastic part. There are three significant stages in each cycle. The first stage is filling the cavity with hot polymer melt at high injection pressure and temperature (filling and post-filling stage). It is followed by cooling the injected polymer material until the material is completely solidified (cooling stage), finally the solidified part is ejected (ejection stage).