Relations entre la structure moléculaire et les propriétés mécaniques et physico-chimiques des polymères semicristallins

Relationships between the molecular structure and the mechanical and physico-chemical properties of semicrystalline polymers

• Auteur / Autrice : Boris Belin
• Direction : Bernard Rousseau, Véronique Lachet, Marianna Yiannourakou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie physique (Orsay, Essonne ; 2000-....) - Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Materials design (Montrouge, Hauts-de-Seine)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Pierre Gaigeot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julie Diani, Florent Goujon, Éliane Espuche, Séverine Queyroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julie Diani, Florent Goujon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perméabilité

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Polymères

Monte-Carlo, Méthode de

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Simulation moléculaire

Polymère semicristallin

Perméation

Propriétés mécaniques

Molecular simulation

Semicrystalline polymer

Permeation

Mechanical properties

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'étude des polymères semicristallins par simulation à l'échelle moléculaire. Elle s'est déroulée dans le cadre d'une collaboration entre l'entreprise Materials Design S.A.R.L., l'Institut de Chimie Physique d'Orsay, et l'IFP Energies nouvelles. Notre objectif était de fournir une méthode générale de construction d'échantillons semicristallins et de l'implémenter dans une suite logicielle puis d'utiliser cet outil pour obtenir des propriétés structurales, mécaniques et de perméabilité à de petites molécules de gaz. Les polymères semicristallins sont des matériaux dans lesquels coexistent des régions cristallines et des régions amorphes. On se situe ici à l'échelle de l'alternance cristal-amorphe, sur des dimensions de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. Les études expérimentales ne permettent pas de caractériser précisément le chemin suivi par les chaines de polymères dans ces deux phases et à leur interface, il est donc ardu de construire des échantillons pour la simulation à l'échelle moléculaire. Dans la première partie de cette thèse, nous avons adapté une théorie issue de la physique statistique des polymères, afin de construire différents échantillons de polyéthylène semicristallin. Différents paramètres utilisés lors de la construction permettent de contrôler le degré de cristallinité et la proportion de sections de chaînes amorphes pontant deux zones cristallines. Dans la seconde partie, nous avons étudié les propriétés mécaniques, dans le domaine élastique et sous haute déformation de différents échantillons de polyéthylène. Nous avons observé l'importance du degré de cristallinité pour les propriétés élastiques, auquel s'ajoute la proportion de section de chaînes pontantes liant deux phases cristallines dans le cas de la haute déformation. Enfin, nous avons réalisé des calculs numériques de solubilité et de diffusion de CH₄ et CO₂ dans le polyéthylène. Les résultats obtenus sur la sorption sont en accord avec les résultats expérimentaux.

This thesis is dedicated to the study of semicrystalline polymers through molecular-scale simulations. It was carried out in collaboration between the company Materials Design S.A.R.L., the Institut de Chimie Physique in Orsay, and IFP Energies nouvelles. Our objective was to provide a general method for building semicrystalline structures and to implement it in software. Subsequently, we used this tool to obtain structural, mechanical, and gas permeability properties. Semicrystalline polymers are materials in which crystalline regions coexist with amorphous regions. We are operating at the scale of the crystal-amorphous alternation, on dimensions of the order of a few tens of nanometers. Experimental studies do not precisely characterize the paths followed by polymer chains in these two phases and at their interface. Therefore, building models for molecular-scale simulation is challenging. In the first part of this thesis, we adapted a polymer statistical physics theory to construct various samples of semi-crystalline polyethylene. Different parameters used during construction allow us to control the degree of crystallinity and the proportion of amorphous chain sections bridging two crystalline regions. In the second part, we investigated the mechanical properties, both in the elastic domain and under high deformation, of different polyethylene samples. We observed the importance of the degree of crystallinity for elastic properties, coupled with the proportion of bridging chain sections connecting two crystalline phases in the case of high deformation. Finally, we conducted numerical calculations of the solubility and diffusion of methane and carbon dioxide in polyethylene. The obtained results on sorption are in agreement with experimental findings.