Relation entre polymorphisme et réponse mécanique de polyamides semi-cristallins : le PA11 et le PA6

Relationship between polymorphism and mechanical response of semicrystalline polyamides : PA11 and PA6

• Auteur / Autrice : Julie Pepin
• Direction : Jean-Marc Lefebvre, Valérie Gaucher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 21/11/2014
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMET - Unité Matériaux et Transformations

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure cristalline (solides)

Polymorphisme (cristallographie)

Liaisons hydrogène

Polyamides

Mots clés libres

Transition de Brill

Étirage biaxial

Résumé

Ce travail revisite la problématique des transitions de phases cristallines induites thermiquement et mécaniquement dans les polymères semi-cristallins à liaisons fortes. Ce point revêt une importance primordiale dans des matériaux où l'anisotropie de liaisons intermoléculaires (van der Waals vs hydrogène) conduit à l'existence de phases cristallines présentant une structure en feuillets des liaisons hydrogène. L'originalité principale réside dans le recours à l'expérimentation in situ pour le suivi de l'évolution structurale de ces matériaux polymorphes par diffraction et diffusion des rayons X sous rayonnement synchrotron. L'étude concerne les polyamides 11 et 6 et une attention particulière est portée à l'influence de ces transitions sur le comportement mécanique sous sollicitations uniaxiale et biaxiale. La caractérisation structurale confirme l'existence d'une transition de phase, la transition de Brill, vers une phase HT de symétrie hexagonale dans le cas de certaines structures cristallines (Alpha' et Delta' du PA11, Alpha défectueuse et Beta du PA6). Les formes stables (Alpha' du PA11 et Alpha du PA6) se reforment au refroidissement. Sous sollicitation uniaxiale, les polyamides se révèlent ductiles, quelle que soit la forme cristalline; une transformation ordre vers désordre intervient à T<TBrill et favorise l'apparition des mésophases (Delta’ du PA11 et Beta du PA6), tandis que la phase HT est stable mécaniquement. En étirage biaxial les phases présentant une organisation en feuillets des liaisons H sont fragiles, contrairement aux phases désordonnées et HT. Ceci souligne la nécessité de maîtriser l'évolution structurale dans la stratégie de mise en œuvre industrielle par biétirage à l'état solide.

This work revisits the problem of thermally and mechanically-induced crystal phase transitions in semi-crystalline polymers bearing H bonds. This point is of prime importance in materials where anisotropic intermolecular interactions (van der Waals vs H-bonding) gives rise to the existence of crystal phases with sheet-like H-bonded structures. The main originality of the present study lies in the use of in situ characterization of these polymorphic materials by wide angle and small angle X Ray scattering from a synchrotron source. Materials under concern are polyamides 11 and 6, and specific attention is paid to the role of these transitions on the mechanical behavior under uniaxial and biaxial drawing. The structural characterization confirms the existence of a phase transition, the Brill transition, towards a HT phase with hexagonal symmetry for some specific crystal structures (Alpha' and Delta' in PA11, Alpha defective and Beta in PA6). The most stable forms (Alpha' in PA11 and Alpha in PA6) rebuild upon cooling. Under uniaxial drawing, polyamides exhibit ductility, whatever the original crystal form is; an order towards disorder transition occurs for T<TBrill, which favors mesophase development (Delta’ in PA11 and Beta in PA6), while above TBrill the HT phase is mechanically stable. Upon biaxial stretching, phases with H-bonded sheet-like organization are brittle, contrary to mesomorphic and HT phases. These findings underline the need to monitor the structural evolution in order to achieve proper solid-state biaxial stretching in industrial processing.