Cette thèse de doctorat présente une contribution à la fabrication de films polymères cellulaires. Ces matériaux ont récemment fait l’objet d’un vif intérêt aux niveaux académique et industriel grâce à leurs propriétés intéressantes combinant les avantages des polymères et des mousses, et en particulier leur potentiel pour des applications piézoélectriques. En fait, sous l’effet d’un chargement électrique approprié (décharge corona), les films polymères cellulaires peuvent fournir une conversion entre des énergies mécanique et électrique pour être utilisés comme capteurs ou actionneurs. Tout d'abord, une méthode de production de films cellulaires en polyéthylène (PE) combinant le moussage chimique et l'extrusion-gonflage de film a été développée. Ce processus permet d'imposer un étirement biaxial aux échantillons lors de la formation de la structure cellulaire, ce qui favorise l'activité piézoélectrique de l'échantillon. Plusieurs compromis ont été faits pour améliorer la qualité du moussage. Cette optimisation était principalement basée sur une revue de la littérature et des observations directes lors des essais préliminaires. Les propriétés morphologiques ont été présentées et discutées en termes de paramètres de mise en œuvre, à savoir le profil de température, la vitesse de rotation des vis, le débit d'alimentation, le taux d’étirage (TUR), le taux de gonflage (BUR), ainsi que la composition de la matrice. Ces paramètres ont été optimisés pour produire une structure cellulaire homogène présentant des morphologies bien définies et une structure cellulaire bien développée avec des cellules de forme oculaire. Ceci a permis de diminuer le module élastique dans le sens de l'épaisseur et aussi de créer plus de surface spécifique pour la capture de charges conduisant ainsi à améliorer du coefficient piézoélectrique d₃₃. Ensuite, des traitements de pression/température ont été appliqués pour mieux contrôler la morphologie cellulaire des films, afin d’optimiser les propriétés mécaniques et la surface spécifique internede la structure cellulaire. L'étape suivante était le chargement électrique par le procédé corona permettant aux films cellulaires d’acquérir la propriété piézoélectrique. Une amélioration supplémentaire a été obtenue en optimisant le gaz utilisé lors du chargement (azote) et sa pression (15 psi) associés à des conditions de traitement telles que la tension de charge et la distance aiguille-échantillon. Enfin, des traitements thermiques (recuit) et chimiques (acide phosphorique) ont été proposés pour mieux contrôler la microstructure des films et fournir une bonne stabilité temporelle et thermique. Dans l'ensemble, le traitement chimique s'est révélé le plus efficace. À la suite de ces étapes, un échantillon optimisé avec une densité de 450 kg/m³, une épaisseur de 162 μm, un facteur de forme longitudinale (AR-L) de 7.0etun facteur de forme transversale (AR-T) de 4.1 a été fabriqué. Les propriétés piézoélectriques rapportées sont très élevées (même comparées au polypropylène (PP) qui est la polyoléfine la plus utilisée dans ce domaine) avec un coefficient d₃₃ initial de 1315 pC/N se stabilisant après 50 jours à 792 pC/N et une bonne stabilité thermique, car les films restent chargés avec de bons coefficients piézoélectriques (280 pC/N) jusqu’à 80°C. Ces valeurs ont été améliorées par l'application d'un procédé combiné d’inversement de charge et d’empilement de trois couches donnant un d₃₃ initial de 3270 pC/N, un d₃₃ stabilisé de 1580pC/N après 50 jours et une valeurde 641 pC/N à 80°C. Ces films de PE ferroélectrets aux propriétés piézoélectriques importantes peuvent être maintenant exploités pour la production à grande échelle de capteurs et de transducteurs à base d’électret. / This doctoral thesis presents a contribution on the fabrication of cellular polymer films. These materials have recently experienced a great interest at academic and industrial levels thanks to their interesting properties combining the advantages of both polymers and foams, in particular their potential for piezoelectric applications. In fact, after charging by an appropriate method (corona discharge), cellular polymers can provide high electrical/mechanical energy conversion to be used as sensors or actuators. Firstly, a method to produce polyethylene (PE) cellular films using extrusion film-blowing was developed. This process allowed to impose biaxial stretching on the samples while foaming, which is believed to enhance the piezoelectric activity of the samples. Several compromises were made to improve the foaming quality. This optimization was mainly based on a literature review and direct observations during preliminary trials. Morphological properties were presented and discussed in terms of processing parameters, namely the temperature profile, screw rotational speed, feeding rate, take-up ratio (TUR), blow-up ratio (BUR), as well as the matrix composition. These parameters were optimized to produce a homogeneous cellular structure with defined morphologies and a well-developed eye-like cellular structure, which is important to decrease the elastic stiffness in the thickness direction and to provide more surface for charge capturing via cell deformation, thus improving the piezoelectric coefficient d₃₃. Then, pressure/temperature treatments were applied to further control the cellular morphology of the films and optimize the mechanical properties and internal specific surface area of the cellular structure.The next step was the electric charging by corona discharge producing cellular films with piezoelectric activity. Further improvement was obtained by optimizing the gas used (nitrogen) and its pressure (15 psi) combined with processing conditions such as the charging voltage and the needle-sample distance. Finally, thermal (annealing) and chemical (phosphoric acid) treatments have been proposed to further control the microstructure of these films and to provide good time and thermal stability. Overall, the chemical treatment was found to be the most efficient. Following these steps, an optimized sample with a density of 450 kg/m³, a thickness of 162 μm, a longitudinal cell aspect ratio (AR-L) of 7.0 and a transversal cell aspect ratio (AR-T) of 4.1 was developed. The piezoelectric properties reported are very high (even compared to PP which is the most used polyolefin in this field) with an initial d₃₃ of 1315 pC/N stabilizing after 50 days at 792 pC/N and a good thermal stability since the films remained charged with good piezoelectric coefficients (280 pC/N) up to 80°C. The values were further improved when a three-layered reverse charging method was appliedgiving an initial d₃₃ of 3270 pC/N, a stabilized d₃₃ of 1580pC/N after 50 days and a value of 641 pC/N at 80°C. These ferroelectret PE films with important piezoelectric properties can now be exploited for the large-scale production of electret-based sensors and transducers.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/35278 |
| Date | 25 June 2019 |
| Creators | Hamdi, Ouassim |
| Contributors | Rodrigue, Denis, Mighri, Frej |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxii, 120 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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