Modélisation et étude expérimentale des propriétés viscoélastiques de films polymères ultra-minces par technique de gonflement couplée à la microscopie interférométrique

Rheological analysis of ultra-thin polymer films : viscoelastic properties investigation from improved experimental inflation technique coupled with interfeometric microscopy and finite element method

• Auteur / Autrice : Anastasiia Shpiruk
• Direction : Anne Rubin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/01/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Sadron (Strasbourg ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Coret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Flury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Coret, Éric Le Bourhis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Propriétés mécaniques

Polymères

Élasticité

Mots clés libres

Films polymères ultrafins

Technique de gonflage par microbulles

Interférométrie

Méthode des éléments finis

Polystyrène

Poly(acétate de vinyle)

Ultrathin polymer films

Microbubble inflation technique

Interferometry

Finite element method

Polystyrene

Poly(vinyl acetate)

Résumé

Cette thèse est axée sur l'étude du comportement des films polymères ultraminces et en particulier sur leurs propriétés mécaniques dans différentes conditions environnementales telles que la température, la pression et l'humidité. Le premier polymère utilisé dans ce travail est le polystyrène (PS) afin d'étudier l'influence de différents niveaux de pression et le comportement du film polymère en réponse à la pression appliquée. Le deuxième polymère, le poly(acétate de vinyle) (PVAc), a été utilisé pour étudier l'influence de différents niveaux d'humidité sur le comportement des films ultraminces de PVAc sous la pression constante appliquée. Enfin, la méthode des éléments finis (FEM) a été utilisée dans l'environnement Marc Mentat pour simuler l'expérience et obtenir les propriétés mécaniques qui ne sont pas disponibles à partir de l'expérience. En particulier, nous nous concentrons sur l'effet de fluage des films polymères ultraminces et l'atteinte du point de seuil, dans le but d'essayer de comprendre les deux processus et la transition entre eux, tant du point de vue expérimental que de la modélisation. Le chapitre 2 présente une vue d'ensemble de la littérature, les principales caractéristiques des propriétés mécaniques et physiques des films confinés par rapport à la masse, ainsi que les méthodes d'étude et de caractérisation. Le chapitre 3 présente les matériaux et les méthodes utilisés dans ce travail. Ensuite, le chapitre 4 contient les résultats et l'analyse des expériences sur les films PS et PVAc. Les résultats et les détails des simulations sont présentés dans le chapitre 5. Enfin, les conclusions et les perspectives du projet sont données dans le chapitre 6.

The thesis is focused on the investigations of the behavior of ultrathin polymer films and in particular on their mechanical properties under different environmental conditions such as temperature, pressure and humidity. The first polymer that was used in this work is Polystyrene (PS) in order to investigate the influence of different pressure levels and how the polymer film behaves in response to the applied pressure. The second polymer, Poly(vinyl acetate) (PVAc) was used to investigate the influence of different humidity levels on the behavior of ultrathin PVAc films under the applied constant pressure. Finally, the Finite Element Method (FEM) was used in the Marc Mentat environment to simulate the experiment and to obtain the mechanical properties that are not available from experiment. In particular, we concentrate on the creep effect of ultrathin polymer films and the reaching of the threshold point, with the aim of trying to understand both processes and the transition between them from both, the experimental and modeling points of view.In Chapter 2 an overview of the literature is given together with the main features of the mechanical and physical properties of confined films in comparison to the bulk, as well as the methods of their investigation and characterization. Chapter 3 presents the materials and methods used in this work. Then, Chapter 4 contains the results and analysis of the experiments on the PS and PVAc films. The results and details of simulations are presented in Chapter 5. Finally, the conclusions and perspectives of the project are given in Chapter 6.