Coextrusion de multi-micro/nanocouches de polymères viscoélastiques à fort contraste rhéologique : Etude multi-échelle de la structuration de multicouches à base de polyéthylènes avec différentes architectures macromoléculaires - application de l'écodesign

Multi-micro/nanolayers of highly mismatched viscoelastic polymers based on polyethylene with varying macromolecular architectures : Multiscale investigations towards better control of their structuration and recycling by coextrusion

• Auteur / Autrice : Ibtissam Touil
• Direction : Abderrahim Maazouz, Khalid Lamnawar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux polymères
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• 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-....) - Ingénierie des Matériaux Polymères / IMP
• Jury : Président / Présidente : Nadia El Kissi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abderrahim Maazouz, Khalid Lamnawar, Nadia El Kissi, Sophie Duquesne, Abdellah Ajji, Jannick Duchet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sophie Duquesne, Abdellah Ajji

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matières plastiques -- Extrusion

Recyclage (déchets, etc.)

Polymères

Mots clés libres

Matériau polymère

Coextrusion

Confinement

Instabilités

Recalage

Eco-Conception

Mélange de polymères

Matériau viscoélastique

Polyéthylène

Morphologie

Dynamique des structures

Polymère multicouche

Propriété rhéologique

Microstructure du matériau

Propriété de l’interface

Recyclage

Contrainte mécanique

Polymer materials

Coextrusion

Confinement

Instabilities

Retiming

Eco-Design

Polymers blend

Viscoelastic material

Polyethylene

Morphology

Dynamics of structures

Multiple layer polymer

Rheological properties

Material microstructure

Interface properties

Recycling

Mechanical stress

Résumé

L’objectif de la présente thèse consiste en l’étude fondamentale pour la compréhension de l’ultra-confinement des polymères sur les propriétés rhéologiques et la dynamique des chaines lors de l’élaboration des multi-micro/nanocouches par le procédé de coextrusion. Pour ce faire, les travaux ont été menés sur des couples modèles à base de polyéthylènes (PE) et de polymères confineurs de type (PS et PC). L'originalité de notre approche concerne la coextrusion de ces polymères ayant un fort contraste des propriétés rhéologiques. Dans ce cadre, différents grades de PEs ayant des architectures macromoléculaires avec des ramifications courtes (SCB) et des ramifications longues (LCB) ont été utilisés. Outre l’étude rhéologique, les systèmes élaborés ont été analysés par diverses techniques de caractérisation telles que le MEB, MET et 2D-WAXS, afin de sonder les propriétés morphologiques, la structure cristalline et la dynamique des chaînes PEs à différentes échelles. Des instabilités ont été observées en fonction du contraste viscoélastique des polymères stratifiés et de la tension interfaciale. Des cartes de stabilités ont été établies. Dans certaines conditions, différentes structures multi-nano-couches nano-architecturées présentant un écoulement stable et ayant une architecture complexe ont été alors obtenues. Lors de la mise en œuvre, la démultiplication des couches influence fortement la microstructure/morphologie et l’orientation cristalline des PE. En outre, nous avons constaté que le confinement moléculaire des PE présente un effet notoire sur la morphologie et la microstructure des multicouches, en fonction de la nature du polymère confineurs. De surcroit, le comportement la rhéologique et de ces PE se révélait être influencé en fonction du type et la longueur de branchements. Quant au comportement rhéologique en élongation, le phénomène de Strain hardening dépend fortement du nombre de couches, de l’architecture et de la composition. Des mécanismes moléculaires ont été proposés pour élucider les manifestations observées. Parallèlement et malgré le fort contraste rhéologique, nous avons pu modéliser à partir des mesures élongationnelles les propriétés de la tension interfaciale, en particulier dans le cas des nanocouches. Par ailleurs, ce travail démontre clairement comment l'évolution structurelle multi-échelle au cours du processus de coextrusion micro-/nano-couche peut contrôler les propriétés finales et notamment le processus de « Strain-hardening ». En outre, les résultats obtenus visent à une meilleure compréhension des propriétés interfaciales pour contrôler l'interface/les interphases dans ces polymères multicouches modèles, tout en intégrant leur recyclabilité. A cet égard, et dans le contexte de l'économie circulaire, une approche prospective allant de l'éco-design à l’élaboration des systèmes multi-micro/nano couches facilement recyclable a été étudiée.

This study aims to understand the effects of confinement on the rheology and molecular dynamics in multilayer polymeric structures fabricated by the forced-assembly multilayer coextrusion of polyethylenes (PE) and confined polymers (PS and PC). The originality of our approach deals with coextrusion of these high mismatched viscoelastic systems. Through this work, PEs with varying macromolecular architectures, with short-chain branching (SCB) and long-chain branching (LCB), were used. Various nano-structured multilayer structures with stable flow and layered architecture were then obtained. Hitherto, various characterization techniques such as WAXS, SEM or TEM, and rheology were used to probe the structure and molecular dynamics of the PE chains. Micro and nanolayered instabilities were observed depending on the viscoelastic mismatched properties and interfacial tensions. The layer multiplication strongly affects the crystallization microstructure/morphology and molecular orientations of PEs. Interestingly, we found that macromolecular and geometrical confinements further influence the final morphology. Subsequently, they remarkably influence the rheology and molecular dynamics of PEs depending on the amount of LCB. From micro- to nanolayers, strain hardening properties in the extensional measurements are strongly dependent on the number of layers, architecture, compositions and confinement. Relevant mechanisms involving molecular rheology theories are proposed to elucidate the reasons underlying the changes. Meanwhile, we were able to model interfacial tension properties especially in the case of nanolayered polymeric systems. Hence, this work clearly demonstrates how the multiscale structural evolution during the micro-/nano-layer coextrusion process can control the final properties of multilayered products. Our findings are aimed at a better understanding of the interfacial properties towards controlling the interface/interphases in the present micro-nanostructured model multilayers polymers including their recyclability for advanced applications ranging from ultra-barrier films from cast extrusion to flexible and high transparency sheets for thermoforming process. Finally, and in the context of circular economy, a future-oriented approach from eco-design to a recycling strategy of the studied multi-micro/nanolayered systems was investigated. Therefore, a novel route is purposed to decrease the number of constituents, control the thickness of the layers, avoid using tie layers, and enhance the recyclability of the studied systems.