L'originalité de cette étude consiste à confronter les caractéristiques structurales, morphologiques et rhéologiques de deux systèmes ternaires à morphologie nodulaire : l'un à matrice polyéthylène (PE) et l'autre à matrice polyamide (PA). La nanocharge utilisée est une montmorillonite modifiée (C30B) présentant une bonne affinité pour le PA.<br />L'un des principaux résultats est que l'ajout de faibles fractions d'argile réduit considérablement la taille des nodules. Les mécanismes responsables de cette réduction de taille dépendent de la localisation de l'argile. L'argile localisée à l'interface favorise la formation d'une interphase. Dans ce cas, la réduction de la taille des nodules est attribuée à la suppression de la coalescence (effet stérique inter-nodulaire) combinée à une réduction de la tension interfaciale apparente. L'argile présente dans la matrice engendre une augmentation de la viscosité de cette dernière, favorisant la rupture des nodules. Elle génère aussi un effet barrière à la coalescence, amplifiant la réduction de la taille des nodules. <br />Les propriétés viscoélastiques linéaires sont discutées en relation avec la structure et la morphologie. Le comportement rhéologique des systèmes ternaires à matrice PE est proche de celui du mélange PE/PA tandis que les systèmes à matrice PA suffisamment chargés ont un comportement comparable à celui d'un nanocomposite PA/C30B.<br />Pour de faibles taux de charge, nous avons aussi montré que l'utilisation d'un mélange maître lors de l'élaboration améliore le niveau d'intercalation et le degré d'exfoliation de l'argile, et modifie les différents mécanismes responsables de la réduction en taille des nodules.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 145-152.

Thèse doctorat : Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2007. / L'annexe 1 présente le projet MASTHER : Rapport sur les traitements DLC. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 175-180.

Cette thèse a été financée par l’équipementier automobile Cooper Standard afin de développer des éléments de pièces automobiles en polypropylène (PP) renforcés par des fibres végétales. Son objectif majeur est d’identifier les paramètres clés permettant l’obtention de composites performants pour ensuite les développer industriellement. Une grande diversité de parois végétales a été testée mécaniquement, étape primordiale pour l’analyse du comportement des composites. Les fibres sélectionnées ont ensuite été mélangées au PP et l’étude du compoundage a mis en évidence son impact sur les propriétés des futurs composites et la difficulté de mélanger des fibres végétales dans une matrice fondue. Les compounds PP/fibres végétales ont ensuite été transformés par extrusion et les travaux menés ont permis de développer des composites renforcés par des fibres de bois respectant le cahier des charges de Cooper Standard. Une comparaison entre l’injection et l’extrusion a souligné l’effet de la mise en œuvre sur les propriétés mécaniques et la microstructure des composites. Des composites modèles unidirectionnels renforcés par des fibres longues ont permis de comprendre les mécanismes de renforcement d’une matrice polypropylène par des fibres végétales de jute et de lin, et ont mis en évidence l’importance des propriétés mécaniques des constituants. Au contraire des composites injectés et renforcés par des fibres courtes de lin et de jute ont, eux, montré la prépondérance de la microstructure, par rapport aux performances des fibres, sur les propriétés mécaniques des pièces / This thesis was funded by the automotive supplier Cooper Standard to develop auto parts in polypropylene (PP) reinforced with plant fibers. Its major objective is to identify key parameters for obtaining high performance composites and then develop industrially. A great variety of plant cell walls was tested mechanically, critical step for the composite behavior analysis. The selected fibers were then mixed in PP and the study of compounding highlighted its impact on the properties of future composite and the difficulty of mixing plant fibers into a molten matrix. The compounds PP / vegetal fibers were then processed by extrusion and the work carried out has allowed the development of composite reinforced with wood fibers respecting the specifications of Cooper Standard. A comparison between extrusion molding and injection molding has showed the effect of molding process on mechanical properties and microstructure of composites. Unidirectional composites models reinforced with long fibers helped to understand the mechanisms of strengthening of a polypropylene matrix with jute and flax fibers, and highlighted the importance of constituents’ mechanical properties. Unlike injected composites and reinforced by short jute and flax fibers have them, showed the predominance of microstructure, compared with the performance of the fibers, on the mechanical properties of the parts.

L’étude porte sur la propagation lente de fissure à température ambiante dans deux classes de polymères à l’état vitreux : le PMMA et la résine époxy-amine stœchiométrique DGEBA-IPD comme prototypes respectifs de thermoplastique (TP) et de thermodurcissable (TD). Des mélanges TD/TP présentant une séparation de phase de nano-domaines de thermoplastique dans une phase dominante de thermodurcissable ont été aussi explorés en vue de leur intérêt en tant que matrice à morphologie complexe utilisée dans les composites à renfort de fibre de carbone destinés à l’aéronautique. Un montage expérimental original a été développé pour le suivi in situ de propagation lente de fissures, combinant une caméra optique, un microscope à force atomique (AFM) et un échantillon sollicité en géométrie Double Cleavage Drilled Compression (DCDC). La possibilité d’accéder ainsi à une gamme de vitesses de propagation entre le pm/s et le nm/s a permis de mettre en évidence pour la toute première fois un régime de propagation stationnaire dans les thermodurcissables (résines pures et mélanges TD/TP) analogue au comportement établi pour les thermoplastiques, et de le caractériser en termes d’une loi cinétique reliant la vitesse de propagation au facteur d’intensité des contraintes (SIF). L’analyse in situ AFM a de plus permis de caractériser les différentes modalités de déformation à l’échelle de la zone de process en combinant l’imagerie topographique et des techniques de corrélation d’images numériques (DIC). Un modèle de prédiction des énergies de rupture en propagation stationnaire ainsi qu’en régime de stick-slip a été développé, en intégrant les champs de déformation visco-plastiques mesurés dans la zone de process, la vitesse de déformation locale, et la loi de comportement des matériaux mesurée à l’échelle macroscopique. / This work deals with the slow crack growth in glass polymer materials at room temperature, namely PMMA and stoechiometric epoxy-amine DGEBA-IPD resin as archetypes of thermoplastic (TP) and thermoset (TS) respectively. TS/TP blends developing phases separation in nano-domains of thermoplastic during the cure process have also been studied since they are used as matrix with a complex morphology in carbon fibers reinforced composites materials for aircrafts. An innovative experimental setup has been developed for in situ investigation of slow crack growth by combining optical measurements, in situ atomic force microscopy (AFM) and a Double Cleavage Drilled Compression (DCDC) sample. By this way, a steady state crack propagation regime has been highlighted for a first time in thermosets (pure and TS/TP blends) with crack speed ranging from pm/s to nm/s. Thus crack speed and stress intensity factor (SIF) diagrams were established for each material. Furthermore, in situ AFM images allowed characterizing deformations at the process zone scale by combining topographic imaging with Digital Images Correlation (DIC) technique. Finally, we developed a model for predicting fracture energy for steady state propagation and stick-slip regime, based on the visco-plastic strain fields measured round the process zone, the local strain rate, and the constitutive laws of materials measured at the macroscopic scale.

Cette thèse est consacrée à la compréhension des propriétés morphologiques et mécaniques de la nanocellulose cristalline (NCC) dans des résines thermoplastiques mises en forme à l’état fondu (extrusion et moulage par injection). Dans la première partie, des composites à base de Nylon 6 et de NCC (0-7% en poids) sont préparés et les propriétés morphologiques/mécaniques (tension, flexion, impact) sont présentées. Les résultats montrent que la NCC est efficace pour améliorer les propriétés mécaniques (principalement le module de flexion) avec une faible augmentation de la masse volumique totale. Dans la deuxième partie, un système hybride est évalué en utilisant la NCC (1%) et de la farine de bois d'érable (20%) dans le polypropylène (PP), avec et sans PP maléaté (MAPP) comme agent de couplage. L'analyse mécanique révèle que ces deux fibres produisent un renforcement efficace, en particulier pour améliorer les modules élastiques des échantillons contenant du MAPP. La troisième partie examine la caractérisation morphologique, physique et mécanique de nano-composites moussés à base de NCC et de Nylon 6. Différentes concentrations de NCC (0-5%) et d'agent moussant chimique (azodicarbonamide) (0-2%), ainsi que la température du moule (30 et 80⁰C) sont utilisés pour produire les échantillons. Les résultats montrent que la NCC est très efficace pour améliorer la structure de la mousse (réduction de la taille des cellules, augmentation de la densité cellulaire) et les propriétés mécaniques, en particulier les modules élastiques. Aussi, la concentration de l'agent moussant et la température du moule ont un effet direct sur les propriétés mécaniques car ils contrôlent l'épaisseur de la couche de peau. Enfin, des composites et des mousses sont produits à base de PP. Similairement au Nylon 6, la NCC est très efficace pour réduire la taille des cellules et augmenter la densité cellulaire. Par ailleurs, la NCC permet d'améliorer les propriétés mécaniques du PP, en particulier les modules élastiques spécifiques. / This thesis is devoted to the understanding of the morphological and mechanical properties of nanocrystalline cellulose (NCC) filled thermoplastics produced by melt compounding (extrusion and injection molding). In the first part, composites based on Nylon 6 and NCC (0-7% wt.) are prepared and morphological/mechanical properties (tension, flexion, impact) are presented. The results show that NCC is effective to improve the mechanical properties (mainly flexural modulus) with limited overall density increase. In the second part, a hybrid system is evaluated based on NCC (1%) and maple wood flour (20%) filled polypropylene (PP), with and without maleated PP (MAPP) as a coupling agent. The mechanical analysis reveal that these two fibers have effective reinforcing role, especially to improve the elastic moduli of samples containing MAPP. The third part examines the morphological, physical and mechanical characterization of NCC/Nylon 6 nano-composite foams. Different content of NCC (0-5%) and chemical foaming agent (azodicarbonamide) (0-2%), as well as mold temperature (30 and 80⁰C) are used to produce the samples. The results show that NCC is very effective to improve the foam structure (reduced cell size, increased cell density) and mechanical properties, especially elastic moduli. Also, foaming agent content and mold temperature have a direct effect on the mechanical properties because they control the skin layer thickness. Finally, composites and foams are produced based on PP. Similarly to Nylon 6, NCC is very effective to reduce cell size and increase cell density. Moreover, NCC is able to improve the mechanical properties of PP, especially the specific elastic moduli.

Des panneaux sandwichs thermoplastiques imprimés en 3D avec des cœurs en nid d'abeille sont étudiés afin d'être utilisés dans la conception d'engins d'exploration lunaire. C'est dû à leur rigidité en flexion élevée, leur faible densité et leur basse conductivité thermique. Les matériaux thermoplastiques ne sont pas aussi bien documentés en termes de comportement mécanique que d'autres matériaux. La recherche est donc nécessaire pour prédire le comportement mécanique de structures en composite thermoplastique fabriquées par impression 3D. À cette fin, ce projet avait trois objectifs principaux. Le premier était de caractériser le comportement mécanique d'un polymer thermoplastique (polylactide ou PLA) imprimé en 3D. Le deuxième était de prédire le comportement mécanique de panneaux sandwichs en PLA avec des simulations. Le troisième était de développer un modèle homogénéisé du cœur en 2D pour les simulations à grande échelle. Les spécimens en PLA ont été caractérisées en traction et en compression. Un module d'élasticité en traction de 2,46 ± 0,07 GPa et un module d'élasticité en compression de 2,68 ± 0,04GPa ont été mesurés. Des essais ont également été réalisés pour des panneaux imprimés soumis à des chargements de compression hors-plan, de flexion trois-points et d'indentation. Ces essais ont été ensuite modélisés par éléments finis. Les modèles 3D, constitués d'éléments coques 2D pour modéliser les cellules du cœur et les peaux, ont prédit le module d'élasticité et la contrainte maximale à 10 % près pour la compression et la flexion. Les modes de flambement, cependant, n'ont pas été si bien modélisés par les simulations de compression et d'indentation, ce qui montre une limite de la méthode. Ce modèle a été ensuite utilisé pour déterminer les propriétés élastiques équivalentes du cœur Ces propriétés, ainsi que les propriétés calculées par des méthodes analytiques, ont été appliquées à des modèles 2D représentatifs des panneaux sandwichs. En comparant ces modèles, il a été établi que le comportement linéaire en traction et en compression dans le plan était similaire. En flexion, le modèle qui utilise des propriétés équivalentes obtenues analytiquement prédit à moins de 5 % la rigidité du modèle 3D complet, tandis que le modèle qui utilise des propriétés équivalentes obtenues numériquement était à moins de 15 %. Étant donné qu'un modèle analytique précis ne sera pas disponible pour prédire les propriétés équivalentes pour chaque géométrie de cœur et pour des matériaux non-isotropes, utiliser es propriétés équivalentes du cœur obtenues par éléments finis dans un modèles coques 2D qui représente le panneau sandwich est une méthode valide pour prédire le comportement mécanique d'une structure sandwich. Avec ce modèle premier comme base, les travaux de modélisation s'étendre aux composites thermoplastiques renforcé par des fibres de carbone qui serviraient à concevoir un engin d'exploration lunaire résistant à son environnement. D'autres travaux peuvent également être effectués sur différents panneaux qui, grâce à la flexibilité de l'impression 3D, ont une densité ou une géométrie variable. Ces panneaux sandwichs aideront à optimiser la structure d'un engin d'exploration lunaire capable de survivre à des cycles jour-nuit complets sur la lune. / 3D printed thermoplastic composite sandwich panels with honeycomb cores are being researched as a structural element for lunar rovers. This is for their high flexural rigidity, low density, and low thermal conductivity. However, thermoplastic materials are not aswell-documented in terms of structural behaviour as other commonly-used materials like aluminum. Therefore, work is needed to develop a model for these thermoplastics. To that end, this project had three main objectives. The first was to characterize a 3D printed thermoplastic polymer (polylactic acid or PLA). The second was to establish a model to predict the mechanical behaviour of printed honeycomb core sandwich panels. The third was to develop an equivalent core model for large-scale simulations. Parts made with PLA were characterized in tension and compression. These tests measured an elastic modulus in tension of 2.46 ± 0.07 GPa and an elastic modulus in compression of 2.68 ± 0.04 GPa. Tests were also performed for printed panels undergoing out-of-plane compression, three-point bending, and indentation, which were then simulated. Three-dimensional simulation models, constructed by modelling the core cells and the skins with two-dimensional shell elements, accurately predicted the elastic modulus and maximum stress to within 10% for both the compression and bending simulations. The buckling modes were less accurately modelled for both compression and indentation simulations, which shows the limit of the current method's predictive capabilities. This model was then used to determine the equivalent elastic properties of the honeycomb core. These properties, along with properties calculated analytically, were applied to 2D plate models that represented the sandwich panels. Comparing these models, it was found that the linear behaviour for in-plane tension and compression were very similar. In bending it was found that the core model that used analytically determined equivalent properties predicted within 5 % the rigidity of the full 3D model. The 2D core model that used numerically determined equivalent properties was within 15 %. Given that a precise analytical model is not available for every core geometry and for non-isotropic materials, the utilization of a core with equivalent properties obtained from finite element analysis of a sandwich panel represented by 2D shell elements is a valid method to predict the mechanical behaviour of a sandwich structure. With this model, progress can be made on the production and modelling of reinforced thermoplastic composites for a lunar rover. Further work can also be done on different panels that have variable densities or geometries that change throughout the core. These sandwich panels will help to optimize a rover's structure to be the first to survive full lunar day-night cycles.

Cette étude porte sur la production et la caractérisation d’élastomères thermoplastiques (TPE) à base de polypropylène et de caoutchouc vulcanisé recyclé, ainsi que leurs mousses. La première partie de cette étude est liée à la caractérisation de mélanges polypropylène/éthylène-propylène-diène monomère recyclé (PP/r-EPDM) (50/50) avec du polypropylène greffé d'anhydride maléique (PP-g-MA) (0 à 8% en poids). En particulier, l’effet de l'ordre d'alimentation dans une extrudeuse bi-vis et la composition sont étudiées. À partir des échantillons obtenus par moulage en injection, une comparaison est effectuée sur la morphologie et les propriétés mécaniques (impact, tension et flexion), ainsi que la densité et la dureté. Dans la deuxième étape du travail, les mélanges PP/r-EPDM ont été produits par extrusion bi-vis, suivi par un moulage en injection. Dans ce cas, l'effet de la concentration de r-EPDM (jusqu'à 65% en poids), ainsi que la position et l’ordre d'alimentation le long de la vis d'extrusion ont été étudiées pour comparer la morphologie et les propriétés mécaniques. Enfin, les conditions de mise en œuvre optimales obtenues dans les deux premières parties du travail ont été utilisées pour produire des mousses de PP/r-EPDM par moulage en injection. Pour ces échantillons, l'effet de la concentration de r-EPDM (0 à 65% en poids) et de l’agent gonflant chimique (azodicarbonamide) (jusqu'à 1,5% en poids), ainsi que les conditions d'injection (température du moule (30 et 70 °C) et la quantité de matière injectée) ont été étudiées pour la morphologie (taille des cellules, densité cellulaire, et l'épaisseur de la peau), les propriétés mécaniques (impact, tension et flexion), ainsi que la densité et la dureté. Les résultats montrent que l'incorporation de r-EPDM conduit à une amélioration substantielle de la résistance aux chocs du PP (jusqu'à 329%), tandis que l'addition de PP-g-MA comme agent de couplage n'est pas nécessaire dans ce système à cause de la bonne adhésion entre le PP et les particules de r-EPDM. Il a été constaté que l'ordre d’introduction de chacun des composants dans l'extrudeuse a un effet direct sur les propriétés du mélange. Par conséquent, l'alimentation de r-EPDM dans la première zone et du PP dans la quatrième zone de l'extrudeuse conduit à des particules plus petites de r-EPDM en raison du plus long temps de séjour et des contraintes appliquées sur les particules de r-EPDM dans la première section de l'extrudeuse. Enfin, les résultats montrent qu'il est plus difficile de réaliser une bonne structure de mousse avec une teneur élevée en r-EPDM. / This investigation focuses on the production and characterization of thermoplastic elastomers (TPE) based on polypropylene and recycled vulcanized rubber, as well as their foams. The first part of this study is related to the characterization of polypropylene/recycled ethylene-propylene-diene monomer (PP/r-EPDM) (50/50) blends modified with polypropylene-graft-maleic anhydride (PP-g-MA) (0 to 8% wt.). In particular, the effect of feeding order in a twin-screw extruder and blend composition are investigated. From the samples produced via injection molding, a comparison is made based on blend morphology and mechanical properties (impact, tension, and flexion), as well as density and hardness. In the second step of the work, PP/r-EPDM blends are produced through twin-screw extrusion followed by injection molding. In this case, the effect of r-EPDM concentration (up to 65% wt.), feeding order and feeding position along the extruder screw are studied and the blends are compared in terms of morphology and mechanical properties. Finally, the optimum processing conditions obtained in the first two parts are used to produce PP/r-EPDM foams via injection molding. For these samples, the effect of r-EPDM (0 to 65% wt.) and chemical foaming agent (azodicarbonamide) (up to 1.5% wt.) contents, as well as injection conditions (mold temperature (30 and 70 °C) and shot size) are studied with respect to morphology (cell size, cell density, and skin thickness) and mechanical properties (impact, tension, and flexion), as well as density and hardness. The results show that incorporation of r-EPDM leads to a substantial improvement of PP impact strength (up to 329%), while the addition of PP-g-MA as a coupling agent is not necessary in this system due to good adhesion between the PP matrix and dispersed r-EPDM particles. In addition, it is found that the feeding order of each component in the extruder has a direct effect on blend properties. Consequently, feeding the r-EPDM in the first zone and PP in the fourth zone of the extruder leads to smaller r-EPDM particles because of the longer residence time and direct shear/elongational stresses applied on the r-EPDM particles in the first section of the extruder. Finally, the results show that it is more difficult to produce a good foam structure with increasing r-EPDM content.

Les polymères semi-cristallins sont des matériaux d’importance industrielle due à leurs résistances thermiques et chimique ainsi qu’à leurs propriétés mécaniques. De ce fait, l’étude de modèles visant à moduler la cristallinité constitue un domaine de recherche académique d’intérêt. Au cours des dernières années, le groupe de recherche de Josée Brisson a étudié les processus de cristallisation avec des systèmes de copolymères rigides-flexibles. Cette approche a pour but d’introduire à intervalle régulier des espaceurs. Ceux-ci permettront d’induire un repliement de chaîne qui favorisera la formation de la phase cristalline. Plusieurs études avec des espaceurs aliphatiques ont déjà démontré que ceux-ci ne diminuent pas de façon significative la cristallinité de polymères rigides tels que le polyétheréthercétone (PEEK). Le présent projet a pour but l’étude d’espaceurs plus rigides dans le but de forcer le repliement de chaîne. Pour étudier ceux-ci, des espaceurs de type ortho-, méta- et para- xylène ont été utilisés. De cette façon, il sera possible de regarder l’effet de la géométrie du groupement semi-rigide sur la cristallisation du polymère.

Ce travail de doctorat est consacré à la production et à la caractérisation de composés polymères à base de matrices thermoplastiques en mélange avec des particules de caoutchoucs recyclés. Les principales applications visées sont: (A) la production d’élastomères thermoplastiques (TPE) à haute teneur (50% et plus) en poudrette de caoutchouc de pneus usés (GTR); et (B) l’amélioration de la résistance à l’impact des composites thermoplastiques avec de faibles concentrations en GTR. Dans la première partie de ce travail, du polyéthylène maléaté (MAPE) a été utilisé comme matrice pour produire des mélanges MAPE/GTR présentant d'excellentes caractéristiques en tant qu’élastomère thermoplastique. Puis, les effets de différents mécanismes de dégradation (humidité, chaleur et recyclage) sur les propriétés des composites MAPE/GTR ont été largement examinés afin d’évaluer le potentiel de ces matériaux après plusieurs cycles d’utilisation. Enfin, le renforcement des TPE/GTR par différentes particules solides (poudre de bois et talc) a été étudié pour des applications plus exigeantes (caractéristiques mécaniques). Dans la seconde partie de ce travail, une nouvelle approche est proposée pour la modification de la résistance aux chocs des composites à base de polypropylène renforcé par des charges organique (chanvre) et inorganiques (talc, verre). L’amélioration des propriétés à l'impact de ces composites a été réalisée par l’addition d’un mélange à base de polypropylène maléaté (MAPP) et de poudrette de caoutchouc (GTR et déchets d’EPDM) contenant des concentrations élevées (jusqu’à 70% en poids) de déchets caoutchoutiques. / This Ph.D. work is devoted to the production and characterization of polymer compounds based on thermoplastic matrix filled with waste rubber powder. The main applications include: (A) the production of thermoplastic elastomer (TPE) resins containing high ground tire rubber (GTR) contents (50% and higher), and (B) impact modification of thermoplastic composites using low concentrations of GTR. In the first part of the work, maleated polyethylene (MAPE) is proposed as a matrix to produce MAPE/GTR blends having excellent characteristics as thermoplastic elastomers. Then, the effects of different degradation mechanisms (weathering, thermal degradation and reprocessing) on the properties of MAPE/GTR compounds were extensively investigated to determine their potential for further recycling. Finally, the reinforcement of GTR filled TPE was investigated using different types of solid particles (wood flour and talc) for more demanding applications (mechanical characteristics). In the second part of the work, a new approach is proposed for impact modification of polypropylene based composites based on organic (hemp) and inorganic (talc and glass) reinforcements. The effective improvement of the impact properties of these composites is performed through the addition of a masterbatch based on maleated polypropylene (MAPP)/waste rubber powder (GTR or waste EPDM) containing high concentrations (70% by weight) of waste rubber.