Effet des contraintes de mise en œuvre sur la cristallisation des polymères

Processing stresses effect on the crystallizations of polymers

Université de Lyon, 69003 Lyon, France
Université Lyon 1, IMP/LMPB Laboratoire des Matériaux Polymères et Biomatériaux, Bât. ISTIL, 43 Bd du 11 novembre, 69622 Villeurbanne, France
CNRS, UMR 5223 Ingénierie des Matériaux Polymères, 69621 Villeurbanne, France
e-mail : rene.fulchiron@univ-lyon1.fr

Reçu : 8 Décembre 2009
Accepté : 19 Février 2010

Résumé

Les performances d’un matériau, en général, et d’un matériau polymère, en particulier, sont conditionnées par sa morphologie. De plus, s’il s’agit d’un matériau semi-cristallin, cette morphologie peut être très affectée par les paramètres de mise en œuvre qui constituent l’ensemble du passé thermomécanique du matériau, depuis l’état fondu jusqu’à l’objet final (température, déformation, pression…). Selon sa structure chimique, le matériau polymère se comporte différemment vis-à-vis de ces paramètres macroscopiques. Par exemple, l’orientation moléculaire induite par l’écoulement sera plus importante et persistante si la masse molaire est élevée, ou bien, les entités cristallines seront plus épaisses si la solidification s’est produite à plus haute température, etc. Ainsi, la morphologie du matériau solidifié ne résulte pas uniquement de sa structure chimique mais des interactions de celle-ci avec l’ensemble des sollicitations extérieures. Par ailleurs, dans un dispositif de mise en œuvre tel qu’une presse à injecter, une extrudeuse ou une ligne de filage, ces multiples sollicitations (thermique, mécanique) sont simultanées et inhomogènes. Donc, la compréhension des mécanismes de formation des diverses morphologies ne peut se faire qu’en sollicitant le matériau de façon contrôlée dans des expériences de laboratoire (rhéométrie, analyse calorimétrique, …). Les travaux présentés sont axés sur la compréhension des liens entre la déformation subie à l’état fondu par le matériau et la morphologie cristalline obtenue. Bien souvent, cela comporte aussi l’étude de la cinétique de cristallisation. Différents dispositifs expérimentaux sont montrés ainsi que l’effet de divers paramètres de mise en œuvre mais aussi celui de la formulation (structure moléculaire du polymère, agent nucléant, fibres…). Certains modèles simples décrivant la cinétique de cristallisation sont aussi exposés.

Abstract

In general, the performances of a material and in particular of a polymer material are governed by its morphology. Moreover, if this material is semi-crystalline, the morphology can be very affected by the processing parameters which represent the global thermo-mechanical history of the material from the melt state to the final part (temperature, strain, pressure…). Depending on the chemical structure, the macroscopic processing parameters effect on the polymer material will change. For example, the molecular orientation induced by the flow is more important and persistent if the molecular weight is higher or, the crystalline entities will be thicker if the solidification occurs at high temperature, … Hence, the morphology of the solidified material results from the interactions of the chemical structure with the external solicitations. Furthermore, in a processing device like an injection molding press, an extruder or a spinning threadline, these numerous solicitations (thermal, mechanical) are simultaneous and inhomogeneous. Thus, the understanding of the various morphologies formation mechanisms can be assessed only from very well controlled laboratory experiments (rheometry, calorimetric analyses, …). In this paper, the works are focused on the understanding of the links between the strain undergone in the melt state by the material and the obtained crystalline morphology. Generally, the crystallization kinetics is also studied. Several experimental devices are shown and the effect of several processing parameters and the formulation (molecular parameters of the polymer, nucleating agent, fibers…) is analyzed. Simple models describing the crystallization kinetics are also shown.