Développement d'une élastomère thermoplastique constitutif d'assemblages composites hates performances

Development of a thermoplastic elastomer for high performance composites assembly

• Auteur / Autrice : Amélie Gaston
• Direction : Jannick Duchet-Rumeau, Jean-François Gérard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Matériaux Polymères (Auvergne Rhône-Alpes ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Loïc Le Pluart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jannick Duchet-Rumeau, Jean-François Gérard, Loïc Le Pluart, Michel Dumon, Gilles Regnier, Agnès Aymonier, Brigitte Defoort
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Dumon, Gilles Regnier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Microstructure (physique)

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Polyuréthanes

Élastomères

Composites thermoplastiques

Mots clés libres

Composite à matrice thermoplastique

Elastomère thermoplastique

Polyuréthane

Propriété mécanique

Morphologie

Thermoplastic matrix composite

Thermoplastic elastomer

Polyurethane

Mechanical properties

Morphology

Résumé

L'objet de cette thèse est de développer un matériau polymère élastomère permettant d'assurer la liaison et d'absorber les déformations imposées entre deux matériaux composites à matrice thermoplastique. Différents élastomères thermoplastiques ont été identifiés et leur comportement thermomécanique a été étudié en comparaison d’un élastomère thermodurcissable utilisé jusqu'alors. Les polyuréthanes thermoplastiques (TPU) sont apparus comme une alternative intéressante. Nous en avons étudié la chimie et la microstructure ainsi que les propriétés mécaniques en traction et le comportement lors de sollicitations successives multiples qui mettent en évidence l’effet Mullins. L’effet Mullins permet en particulier de quantifier les déformations plastiques irréversibles qui sont liées au caractère thermoplastique des matériaux étudiés. Il a été constaté que ces déformations irréversibles sont comparables à celles observables dans le cas de l’élastomère thermodurcissable conventionnel. Nous nous sommes aussi intéressés au lien existant entre les propriétés thermiques et mécaniques finales du matériau aux différentes échelles, (de l’échelle moléculaire à l’échelle macroscopique notamment). En effet, les TPU sont des matériaux nanostructurés qui peuvent présenter une pseudo-cristallinité et une nano-séparation de phase susceptible d’évoluer avec l’histoire thermique du matériau. Nous avons ainsi cherché à établir un lien entre la structure du matériau à diverses échelles, son procédé de mise en œuvre et les propriétés physiques résultantes. Différentes stratégies ont été explorées pour optimiser le comportement thermomécanique soit par l'incorporation de nano/micro charges ou soit par l'addition d'une faible quantité de liquides ioniques dans la matrice polymère.

The aim of this thesis is the development of an elastomer material able to constitute the junction of two thermoplastic elastomers pieces and to absorb the deformations on these two parts. Various thermoplastic elastomers were identified and there thermomechanical behaviour was studied and compared to the thermoset elastomer presently used. Thermoplastic polyurethanes (TPU) appeared as suitable matches? Their chemical structure, microstructure were studied as well as their mechanical properties in tensile strength and their behaviour toward multiple solicitations that highlights the Mullins effect. The Mullins Effect allows the quantification of irreversible plastic deformations which are induced by the thermoplasticity of the studied materials. It was observed that the irreversible deformations are close to the one of ther thermoset elastomer. We also focused on the existing link between the thermal and mechanical final properties at different scales, (from the molecular level to the macroscopic scale). In fact, the TPU are nanostructured materials that can contain pseudo-crystallinity and nano-phase separation that migth evolve with thermal history. This way, we tried to establish a link between the multi-scaled structure of the materials, it's processing and the resulting physical properties. Various strategies were explored to optimize the thermomechanical behaviour, either by adding nano/micro fillers or by the addition ok small amounts of ionic liquids in the polymer matrix.