Hybride associant polymère biosourcé et un système renforçant les propriétés de tenues au feu : analyse de la morphologie des mélanges et de leur structure pour l'optimisation des propriétés fonctionnelles

Hybrid combining biobased polymer and a system reinforcing fire resistance properties : analysis of the morphology of blends and their structure for the optimization of functional properties

• Auteur / Autrice : Kelly Tran
• Direction : Yvan Chalamet, Christian Carrot, Nathalie Mignard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 26/05/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Ingénierie des Matériaux Polymères (Auvergne Rhône-Alpes ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Grohens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Bounor-Legaré
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Françoise Berzin, Arnaud Poulesquen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extrusion réactive

Matériaux hybrides

Géopolymères

Thermoplastiques

Mots clés libres

Amidon thermoplastique

Géopolymère

Matériau hybride

Extrusion réactive

Rhéocinétique

Thermoplastic starch

Geopolymer

Hybrid material

Reactive extrusion

Rheokinetics

Résumé

L’objectif de ces travaux de recherche est de développer un matériau hybride biopolymère/géopolymère ayant des bonnes propriétés de résistance et de réaction au feu, mis en œuvre par un procédé continu d’extrusion. Pour cela, il a été nécessaire de mener une étude rhéocinétique afin de mieux comprendre la réaction de géopolymérisation et ainsi d’éviter les risques de réticulation dans la machine. Le principe de superposition temps de réaction – température a été introduit afin de prédire à la fois le temps de gel chimique ainsi que les modules de la pâte de géopolymère au cours de la réaction. Le modèle en série parallèle de Takayanagi a également été utilisé afin de décrire l’évolution de la structure du réseau au cours de la formation du géopolymère. L’étude de différents moyens de mise en œuvre ont été abordés et a permis de mettre en évidence un procédé permettant de combiner à la fois la fabrication du matériau hybride thermoplastique à base d’amidon thermoplastique (TPS) et la génération in situ de géopolymère dans une extrudeuse bivis. Cette thèse a abouti au développement d’un nouveau matériau hybride présentant des propriétés de résistance au feu améliorées que ce soit au niveau du flux de chaleur dégagée ou du retardement de l’ignition du matériau. La présence de géopolymère au sein de la matrice de TPS permet l’obtention d’un résidu de calcination ayant une structure alvéolaire, expansée et cohésive pouvant jouer le rôle de barrière physique à la diffusion de la chaleur.

The objective of this research is to develop a biopolymer / geopolymer hybrid material with good fire resistance and reaction properties, obtained by a continuous extrusion process. For, it was necessary to carry out a rheokinetic study in order to better understand the geopolymerization reaction and thus to avoid the risks of crosslinking in the twin screw extruder. The principle of reaction time - temperature superposition was developed in order to predict both the setting time as well as the moduli of the geopolymer paste during the reaction. The Takayanagi parallel series model was also used to describe the evolution of the network structure during geopolymer formation. This study highlights a process allowing to combine both the processing of the thermoplastic hybrid material based on thermoplastic starch (TPS) and the generation of geopolymer in situ of a twin-screw extruder. This thesis led to the development of a new hybrid material exhibiting improved fire resistance properties either in terms of the heat release rate or the retardation of the ignition of the material. The presence of geopolymer within the TPS matrix allows the formation of a calcination residue with an alveolar, expanded and cohesive structure that can act as a physical barrier to the heat diffusion.