Simulation dynamique moléculaire des polymères semicristallins uni et bi-modaux : Nucléation, topologie des chaînes et microstructure

Molecular dynamics simulation of uni and bi-modal semicrystalline polymers : Nucleation, chain topology and microstructure

• Auteur / Autrice : Zengqiang Zhai
• Direction : Olivier Lame
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 30/09/2019
• 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 : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Castagnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Lame, Sylvie Castagnet, Jean-Louis Barrat, Jôrg Baschnagel, Claudio Fusco, Jens-Uwe Sommer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Louis Barrat, Jôrg Baschnagel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristallisation

Nucléation

Chimie topologique

Polymères cristallins

Mots clés libres

Matériaux

Polymère semi-Cristallin

Topologie moléculaire

Bimodalité

Enchevêtrement

Nucléation

Croissance cristalline

Cristallisation

Epaisseur

Simulation

Materials

Semi-Crystalline polymer

Molecular topology

Bimodality

Entanglement

Nucleation

Crystal Growth

Crystallization

Thickness

Simulation

Résumé

Les polymères semi-cristallins (comme le polyéthylène, l'acide polylactique, le polyamide, etc.) sont utilisés dans un large éventail d'applications (automobiles, tuyaux, engrenages, etc.) en raison de propriétés mécaniques promues. Il existe un lien étroit entre les propriétés mécaniques et la microstructure du polymère semi-cristallin, comme la bimodalité, la topologie moléculaire (la façon dont les chaînes de polymères passent à travers les phases cristallines et amorphes), les enchevêtrements de chaînes, l'épaisseur lamellar, température, et ainsi de suite. Cependant, ces microstructures ne peuvent pas être accédées quantitativement à l'expérience. Il existe quelques études de dynamique moléculaire, mais la cristallisation homogène est très difficile à réaliser et n'a pas fait l'objet de discussions approfondies. Ainsi, le mécanisme de cristallisation des polymères et la dépendance de la microstructure restent relativement flous et controversés. Le premier chapitre est une introduction de la recherche générale, qui intègre des polymères semi-cristallins, des nucléations et de la cinétique de croissance cristalline, la théorie classique de la nucléation et des simulations numériques. Dans cette thèse, nous avons effectué la cristallisation homogène des polymères à l'aide d'un modèle de dynamique moléculaire à grain grossier (CG-MD) publié dans notre article précédent, qui favorise l'alignement des chaînes et la cristallisation. L'objectif principal de cette thèse est d'utiliser la technique de simulation CG-MD pour fournir plus d'informations sur la nucléation homogène et le comportement de croissance cristalline des polymères MWD bimodaux et unimod, l'influence de la bimodalité sur la topologie moléculaire (boucle, cravate, cils) et la concentration d'enchevêtrement, le processus de démêlage de chaîne et son influence sur l'épaississement lamellar aussi bien que la dépendance de température.

Semicrystalline polymers (such as polyethylene, polylactic acid, polyamide, etc.) are used in a wide range of application (such as automotive, pipes, gearing, etc.) due to promoted mechanical properties. There is strong link between the mechanical properties and microstructure of semicrystalline polymer, such as bimodality, molecular topology (the way polymer chains pass through crystalline and amorphous phases), chain entanglements, lamellar thickness, temperature, and so on. However, these microstructure cannot be access quantitatively in experiment. There exists some molecular dynamics investigations, but the homogeneous crystallization is very difficult to achieve and not extensively discussed. Thus, the crystallization mechanism of polymers and the dependence of microstructure remain relatively unclear and controversy. In this thesis, we have performed the homogeneous crystallization of polymers using a coarse-grained molecular dynamics (CG-MD) model published in our previous article 1, which favors chain alignment and crystallization. The main objective of this thesis is to use CG-MD simulation technique to provide more insights of the homogeneous nucleation and crystal growth behavior of bimodal and unimodal MWD polymers, the influence of bimodality on the molecular topology (loop, tie, cilia) and entanglement concentration, the chain disentanglement process and its influence on lamellar thickening as well the temperature dependence.