Les travaux de cette thèse concernent l’étude et la modélisation rhéocinétique de systèmes chimiques réactifs à base de prépolymères PA haute température (PA-HT) pour la mise en forme de composites de hautes performances à base de matrice thermoplastique. Ils visent, plus particulièrement, le développement d’une métrologie adaptée pour le suivi de réactions très rapides sous hautes températures (supérieures à 275°C) et pouvant atteindre des degrés de conversions très élevés à des temps très courts. La viscosité du milieu atteint des valeurs supérieures à 10 Pa.s en moins d’une minute. L’intérêt d’une telle étude est double : i) l’optimisation du temps nécessaire pour injecter la matrice à l’intérieur du moule dans lequel est prédisposé un renfort fibreux. En effet, le contrôle du degré d’avancement d’un tel système thermoplastique est un paramètre critique de la mise en forme. Le but étant de garantir un degré optimum dans une pièce ; ii) une meilleure compréhension des relations structures-propriétés. Dans le cadre de ce travail, de nombreuses formulations prépolymère-allongeur de chaine ont été étudiées avec ou sans fibres de verre continues. Au vu de la forte réactivité du milieu, les moyens classiques de suivi de la réaction d’allongement ont montré leurs limites pour l’étude de ces systèmes complexes, notamment aux temps courts représentatifs de ceux pratiqués en tête d’injection et lors de l’imprégnation du renfort fibreux. A cet effet, des métrologies originales ont été développées consistant à coupler la rhéométrie, la spectroscopie infrarouge haute température et la diélectrométrie. Le but ultime étant de corréler la viscosité et l’évolution du taux de conversion dans le moule. Ensuite, une approche de modélisation rhéocinétique a été proposée pour pouvoir prédire in-situ l’évolution de la viscosité au cours du processus de la mise en forme et notamment aux temps courts. Cette chimie a ensuite été mise en situation dans un procédé de transfert instrumenté. Une fenêtre de mise en œuvre de composites PA-HT/FV a été obtenue. Enfin, les relations structure/ propriétés physiques, mécaniques et morphologiques des pièces composites obtenues ont été établies / The main objective of this work has been to develop an experimental investigation making it possible to monitor, as well as achieve a deeper understanding of the structural evolution of high temperature polyamide (PA-HT) as a thermoplastic-based composite matrix. Various formulations of prepolymer with chain extender (CA) were studied at different stoechiometry ratios and temperatures with or without continuous glass fibers. Furthermore, the interest of such a study is twofold: i) optimization of the time required for injection of the reactive system into the mold in which a fibrous reinforcement is predisposed. Thereby, the control of the conversion amount of such thermoplastic system is a critical parameter for a better control of impregnation. ii) a better understanding of structure-property relationships of the obtained thermoplastic composites. Since that the reaction kinetic was demonstrated very fast to be monitored at short times by usual technics at high temperatures above 275°C), the chemo-rheological evolutions were firstly studied ex-situ by coupling rheology with fast FTIR and dielectric spectroscopy (DRS). The ultimate purpose was to correlate the viscosity and the conversion rate in the mold. Then, a rheokinetic modeling approach was performed in order to be able to predict the evolution of the viscosity in particular at very short times (less than 2 minutes which the conversion reaches about 80%). In this work, hybrid process coupling “Reactive Extrusion”and “Resin Transfer Molding” machine (T-ERTM) equipped with an instrumented mold was designed and developed. Secondly, the hybrid process coupling “Reactive Extrusion” and “Resin Transfer Molding” machine (TP-ERTM) with an “instrumented mold” was developed with specific dielectric sensors in order to in-situ track viscosity and the extent of the reaction. The in-situ results corroborate the ex-situ ones aforementioned. Overall, a processing window was obtained for each reactive system to ensure a good preform impregnation for the manufacturing of complex and continuous glass fiber-reinforced parts. Herein, the structure/physical/mechanical/morphological properties of the obtained composites have been established.

Ce travail s’inscrit dans le développement de formulations performantes et processables pour les liners de réservoirs de stockage hyperbare. Une large gamme de formulations à base polyamide et polyépoxyde a ainsi été synthétisée en conditions contrôlées, représentatives du procédé de rotomoulage. Les systèmes polyamide ont été modifiés par copolymérisation statistique et les polyépoxydes par une phase dispersée micro- ou nano-structurée avec des thermoplastiques de haute Tg ou des copolymères blocs. Les propriétés morphologiques, thermiques, mécaniques et barrière de chaque formulation ont été caractérisées et confrontées au cahier des charges du matériau. En parallèle, l’influence des conditions opératoires et de la formulation sur les rhéocinétiques de polymérisation, de cristallisation, de gélification et/ou de séparation de phase a ainsi été établie. L’ensemble de ces résultats a été mis à profit afin d’identifier des relations structures – propriétés – processabilité en vue de l’application. Afin de valider le potentiel des formulations retenues, ces dernières ont été rotomoulées en conditions opératoires variables avec un suivi in situ de l’écoulement et ex situ de la viscosité. Ce travail a permis d’établir les fenêtres de processabilité de chaque formulation et de comprendre l’origine des défauts d’écoulement. / The aim of this present study is to develop efficient and processable formulations for the liners of high pressure storage tank. A wide range of formulations based on polyamide and polyepoxide has been synthesized under controlled conditions representative of the rotomolding process. The polyamide system has been modified by copolymerization and the polyepoxyde system by a micro- or nano-structured dispersed phase with high Tg thermoplastics or block copolymers. The morphological, thermal, mechanical and barrier properties of each formulation were characterized and compared to the specifications of the material. In parallel, the influence of operating conditions and formulation on the rheokinetics of polymerization, crystallization, gelation and / or phase separation has been established. All of these results have been exploited to identify structure - property - processability relationships for the application. To validate the potential of selected formulations, they were rotationally molded in variable operating conditions with flow monitoring and rheological measure. This work has established the processing windows of each formulation and has allowed an understanding of the origin of flow defects.

Cette thèse porte sur le rotomoulage réactif de polyamide 6. Ce procédé a la particularité de présenter des cycles thermiques relativement réduit et de fabriquer des polymères sur mesure contrairement à son homologue conventionnelle. La voie envisagée pour la synthèse in situ de PA6 est la polymérisation anionique de l’ε-caprolactame par ouverture de cycle. Le Caprolactamate de sodium et le bromure de caprolactame-magnésium ont été utilisés comme catalyseurs, et l’hexaméthylène dicarbamoyl dicaprolactame a été employé comme activateur. L’étude rhéocinétique de deux systèmes réactifs lactames qui ont été utilisé à différentes compositions et températures a permis de déterminer une formulation appropriée aux exigences du procédé (faible viscosité initiale du système réactif, temps de polymérisation court...). La simultanéité des phénomènes de polymérisation et de cristallisation aux faibles températures à été observé à l’aide des résultats du suivi cinétique par DSC. La mise en forme par la technique de rotomoulage a été réalisée sur une installation pilote de rotomoulage associée à un système d’acquisition de température par télémesure radio. La comparaison des propriétés des articles en PA 6 obtenus par voie réactive par rapport a ceux obtenus par voie fondue, a montré un gain au niveau du temps de cycle et une amélioration des propriétés mécaniques du matériau notamment dans le domaine des faibles déformations. Le rotomoulage de la bicouche PA6/PE-GMA a été ainsi étudié, le contrôle des mécanismes réactionnels mis en jeu à l’interface par rhéologie, durant la formation de la couche de polymère PA6 par voie anionique sur une couche de PE-GMA a été effectué dans un rhéomètre, une bonne adhésion à l’interface a été observé. La faisabilité d’élaboration de nanocomposite PA 6/argile par le procède de rotomoulage réactif a été testé, les caractérisations physico-chimiques et les observations morphologiques ont été étudiés afin d’évaluer l’état de dispersion et la nature des interactions. Durant cette étude, nous avons mesurés la faisabilité de l’intercalation et le gonflement de l’argile dans le monomère ε- caprolactame et estimer la possibilité d’avoir une morphologie exfolié des nanocomposites élaborés par le procédé de rotomoulage réactif. / A reactive rotational molding (RRM) process was developed to obtain a PA6 by activated anionic ring-opening polymerization of epsilon-caprolactam (APA6). Sodium caprolactamate (C10) and caprolactam magnesium bromide (C1) were employed as catalysts, and difunctional hexamethylene-1,6-dicarbamoylcaprolactam (C20) was used as an activator. The kinetics of the anionic polymerization of ε-caprolactam into polyamide 6 was monitored through dynamic rheology and differential scanning calorimetry measurements. The effect of the processing parameters, such as the polymerization temperature, different catalyst/activator combinations and concentrations, on the kinetics of polymerization is discussed. A temperature of 150°C was demonstrated to be the most appropriate. It was also found that crystallization may occur during PA6 polymerization and that the combination C1/C20 was well suited as it permitted a suitable induction time. Isoviscosity curves were drawn in order to determine the available processing window for RRM. The properties of the obtained APA6 were compared with those of a conventionally rotomolded PA6. Results pointed at lower cycle times and increased tensile properties at weak deformation. Additionally, rotational molding of the bilayer PA6/PE-GMA has been studied, the control of the reactions mechanisms involved in the interface by rheology , during formation of the anionically PA6 polymer layer on a PE- GMA layer was carried out in a rheometer , a good adhesion at the interface was observed. The feasibility of developing nanocomposite PA 6/clay by reactive rotational molding process has been tested; the physico-chemical characterization and morphological observations were studied to assess the state of dispersion and the nature of interactions. During this study, we measured the feasibility of intercalation and swelling the clay in the ε-caprolactam monomer and estimate the possibility of having morphology of exfoliated nanocomposites prepared by reactive rotational molding process.

Motivation dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung des etablierten Prozesses der Sprühtrocknung, der Trocknung einer Flüssigkeit zu Partikeln mit definierter Form und Größe. Ist die zerstäubte Flüssigkeit eine reagierende Polymer- oder Monomerlösung wird der neuartige Prozess als Sprühpolymerisation bezeichnet. Da die Verweilzeiten in einem Sprühtrockner gering sind, wird die hochreaktive radikalische Kettenpolymerisation von Acrylsäure und Acrylaten im Lösungsmittel Wasser untersucht. Im Fokus der Arbeit ist die Methode der Rheokinetik. Diese Methode wertet die rheologische Veränderung der reagierenden Lösung aus, sodass in dieser Arbeit die Ergebnisse der Rheokinetik zur Prozessgestaltung diskutiert werden. Die Messungen zur Rheokinetik verschiedener Acrylatelösungen zeigen im Vergleich zur Acrylsäure geringere Viskositätsanstiege, die sich durch die geringe Reaktionsgeschwindigkeit in der pH-neutralen Lösung der Acrylate erklären lässt. Die Theorie zur Rheokinetik lässt sich nur auf die Acrylsäure anwenden, da diese überwiegend neutrale Polymerlösungen bildet und die Viskositätsfunktion über die Zeit mit einer Potenzfunktion beschrieben werden kann. Das Ergebnis ist ein empirisches Modell, was die Induktionszeit und den Viskositätsanstieg, der mit dem Umsatz der Reaktion korreliert, über die Zeit beschreibt. Die numerische Modellierung, die die Polymerisation und Trocknung des Einzeltropfens beschreibt, zeigt abschließend, dass eine Konditionierung des Trocknungsgases sowie eine Vorreaktion vor der Sprühpolymerisation anzustreben sind, damit der Prozess in einem konventionellen Sprühtrockner erfolgreich wird.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Sprühpolymerisationsverfahren 2.1.1 Trocknung am Einzeltropfen 2.2 Rheologische Eigenschaften von Flüssigkeiten im Viskosimeter und Rheometer 2.2.1 Messmethoden der Scherviskosität 2.3 Charakterisierung der Monomere 2.4 Polymerisation von Acrylsäure bzw. Acrylaten 2.4.1 Radikalische Lösungspolymerisation 2.4.2 Überblick über die Reaktionskinetik der radikalischen Polymerisation 2.4.3 Weitere Reaktionstypen bei der radikalischen Polymerisation 2.4.4 Einfluss des Lösungsmittels auf die radikalische Polymerisation 2.4.5 Einflüsse auf die Terminierung bei der radikalischen Polymerisation 2.4.6 Übersicht zur Messung der Kinetik bei Polymerisationen 2.4.7 Momentenmethode zur Berechnung der Polymerisation 2.5 Charakterisierung der Polymere 2.5.1 Polymere im Lösungsmittel 2.5.2 Skalierungstheorie nach de Gennes von Polymeren in Lösungsmitteln 2.5.3 Messmethoden der molaren Masse von Polymeren in Lösungsmitteln 2.5.4 Viskosität von Polymerlösungen 2.5.5 Intrinsische Viskosität von Polymerlösungen 2.6 Rheokinetik 3 Experimentelle Methoden 3.1 Material – Monomere und Polymere 3.1.1 Neutralisation von Acrylsäure zur Herstellung der Acrylate 3.1.2 Stoffwerte von Acrylsäure und Wassermischungen 3.1.3 Versuchsvorbereitung und Versuchsplan 3.2 Messmethodik der Rheokinetik 3.2.1 Versuchsdurchführung 3.2.2 Berücksichtigung der Verdunstung aus dem Probevolumen 3.2.3 Bestimmung von Umsatz und Polymerisationsgrad 4 Ergebnisse zur Rheokinetik 4.1 Rheokinetik am wässrigen System mit Acrylsäure bzw. Acrylaten 4.1.1 Erläuterung zur Auswertungsprozedur an verschiedenen Rohdaten von Acrylsäure und Acrylaten 4.1.2 Ergebnisdiskussion zur Rheokinetik bei wässrigen Acrylsäure- bzw. Acrylatlösungen 4.2 Rheokinetik mit Modellbildung zur Polymerisation wässriger Acrylsäure Lösungen 4.2.1 Empirisches Modell zur Funktion η(t) 4.2.2 Modellierung der Rheokinetik 4.2.3 Bewertung der Rheokinetik durch Messungen von Umsatz und Viskosität im Rheometer 5 Numerische Modellierung von Reaktion und Trocknung 5.1 Numerische Modellierung der Reaktion im Rheometer 5.1.1 Ergebnisse der Momentenmethode für die Reaktion im Rheometer 5.2 Numerische Modellierung zur Reaktion im Sprühtrockner 5.2.1 Ergebnisse der Modellierung am Tropfen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Ergebnisse zur Rheokinetik 6.2 Numerische Modellierung 6.3 Ausblick