Caractérisation et modélisation du comportement mécanique des PE-vitrimères pour application en tuyauterie sous pression

Characterization and modeling of the mechanical behavior of PE-vitrimers for pressure piping applicationCaractérisation et modélisation du comportement mécanique des PE-vitrimères pour application en tuyauterie sous pression

• Auteur / Autrice : Tianqi Huang
• Direction : Jean-Luc Bouvard, Yannick Tillier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 28/06/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Renaud Nicolaÿ
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Bouvard, Yannick Tillier, Xavier Colin, Stéphane André, Sandrine Hoppe, Julie Bertho
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Xavier Colin, Stéphane André

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères -- Détérioration

Propriétés mécaniques

Composites polymères

Polyéthylène

Mots clés libres

Vitrimère

Microstructure

Equivalence temps-Température

Comportement mécanique

Vieillissement

Modélisation

Vitrimer

Microstructure

Time-Temperature equivalence

Mechanical behavior

Aging

Modeling

Résumé

Dans cette thèse nous nous intéressons à la caractérisation du comportement de plusieurs matériaux polymères basés sur le polyéthylène. Afin d'évaluer notamment leurs propriétés de recyclage, nous comparons, avant et après vieillissement, les comportements de plusieurs vitrimères (avec des taux de réticulation différents) à ceux d'un polymère thermoplastique (HDPE) et d'un polymère thermodurcissable (PEXb). Le but étant de mieux appréhender la relation entre la microstructure et les propriétés de ces matériaux, une modélisation de ces comportements a également été proposée à l'aide d'un modèle physique. Ses paramètres ont pu être identifiés grâce aux nombreuses observations expérimentales réalisées à différentes échelles : la structure cristalline a été caractérisée par DSC et rayons X, les propriétés dynamiques grâce à des essais de DMTA et à une analyse rhéologique, et le comportement mécanique grâce à des essais de traction et de fluage. Les conditions d'essais pour caractériser le comportement mécanique en grande déformation ont été choisies en suivant la méthodologie dite « de la vitesse de déformation équivalente à une température de référence » (prise à la température de transition α). L'effet dual de la température et de la vitesse de déformation est ainsi pris en compte.A l'état initial (non-vieilli), le taux de cristallinité, l'épaisseur des lamelles cristallines et les propriétés viscoélastiques sont très dépendants du type de polymère étudié. L'application de l'équivalence temps-température (validée ici y compris dans le cas de grandes déformations), en-dessous de la température de fusion, a conduit à une courbe maîtresse unique pour chacun des polymères de l'étude. Ce n'est pas le cas au-delà de cette température où seuls les vitrimères et le PEXb présentent un plateau caoutchoutique.Pour le HDPE et le vitrimère, le protocole de vieillissement entraîne une scission des chaînes qui conduit à une diminution du poids moléculaire (Mw). Cela impacte directement les propriétés observées en DMTA ainsi que le comportement mécanique en grande déformation. Pour le vitrimère et le PEXb, l'effet du vieillissement se fait ressentir plus tard que pour le HDPE lors d'un essai de fluage. Mais contrairement au PEXb, cet effet peut être effacé dans le cas du vitrimère en le chauffant au-delà de la température de transition α'. Enfin, le modèle utilisé permet de reproduire les comportements mécaniques observés expérimentalement pour chaque type de PE et démontre ainsi sa capacité à prendre en compte les spécificités des différents réseaux de chaînes qui les caractérisent.En conclusion, les matériaux vitrimères montrent des propriétés thermomécaniques globalement proches de celles du HDPE et du PEXb mais se démarquent de ce dernier grâce à leur haut potentiel de recyclage.

This Ph.D. thesis focuses on the characterization of the behavior of several polyethylene-based polymers. In particular, to evaluate their recycling properties, the behavior of several vitrimers (with different cross-linking degrees) is compared, before and after aging, with that of a thermoplastic (HDPE) and a thermoset (PEXb). To better understand the relationship between the microstructure and the properties of these materials, a physical model was also proposed to model these behaviors. The parameters of this model were identified thanks to numerous experimental observations performed at different scales. The crystalline structure was characterized using DSC and X-ray. The dynamic properties were characterized thanks to DMTA tests and rheological analysis. The mechanical behavior was characterized using tensile and creep tests. The test conditions used to characterize the mechanical behavior at large deformation were chosen according to a methodology based on the ''equivalent strain rate at a reference temperature'' (at the α-transition temperature). Therefore, the double effect of temperature and strain rate is taken into account.For the initial unaged state, the degree of crystallinity, the thickness of the crystal lamellae, and the viscoelastic properties show a strong dependence on the type polymer studied. The application of the time-temperature equivalence below the melting temperature, validated here at small strain and also at large deformation, results in a unique master curve for each of the polymers used in this study. However, this is not the case above this temperature where only vitrimers and PEXb show a rubbery plateau.For HDPE and vitrimers, the aging protocol causes chain scission, resulting in a decrease in molecular weight (Mw). This has a direct effect on the properties observed using DMTA and on the mechanical behavior at large deformation. For aged vitrimers and PEXb, the same true strain levels as HDPE are observed during a creep test at a longer time scale. Unlike PEXb, the effect of aging on vitrimers can be erased by heating above the α'-transition temperature. Finally, the model used in this study allows to reproduce the mechanical behavior observed experimentally for each type of PE. This model also shows its ability to take into account the specificities of the different chain networks that characterize these materials.To conclude, the vitrimers show thermomechanical properties that are globally close to those of HDPE and PEXb, but with a higher recycling potential compared to the latter.