thesis

Etude des relations microstructure-propriétés de polymères semi-cristallins par la méthode "Essential Work of Fracture"

Defense date:

Jan. 1, 2009

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Institution:

Lyon, INSA

Disciplines:

Materials science and engineering

Authors:

Directors:

Abstract EN:

[This thesis aims to study the fracture behaviour of ductile thin semicrystalline polymer films using the Essential Work of Fracture (EWF) method. Using this method, the influence of the semicrystalline microstructure and that of the clay presence on the mechanical behaviour is addressed. In a first part, EWF method has been applied to a series of semi-crystalline polymers and it appears as a practical way to characterize fracture behaviour. The EWF test was modelled using the cohesive model in finite element calculations. These calculations give insights on the physical meaning of parameters (we and wp). In particular, we does not only correspond to the energy to create the new surface but also includes a part of plastic deformation which occurs in the inner fracture process zone. Then, the relationships between microstructure and fracture behaviour is investigated in a series of treated PET films. For those samples, the biaxially extrusion process causes fibrillar superstructure in which the microfibrils are parallel to the transversal extrusion direction. With this superstructure, the respective roles of microstructural parameters such as the crystalline phase orientation, the crystallinity degree, the tie molecules density are discussed. While the crystalline phase orientation is the key parameter governing the module anisotropy, the tie molecules density governes the fracture behavior in semicrystalline polymer. Finally, three types of semicrystallline polymer-clay nanocomposites based on polyamide 6 and compatibilized polyethylene whose morphologies are different are studied. The more exfoliated the clay, the lower is the decrease of fracture performance for the nanocomposite and the more consumed energy as the longer the path of the crack. ]

Abstract FR:

Ce mémoire a pour objectif d’étudier le comportement à rupture des films polymères semi-cristallins par la méthode "Essential Work of Fracture" (EWF). En utilisant cette méthode, les influences de la microstructure semi-cristalline et de la présence des plaquettes d’argile sur les propriétés mécaniques sont discutées. Dans un premier temps, nous avons appliqué le protocole EWF à différents polymères semi-cristallins et étudié l’effet de certains paramètres du test. Cette méthode est un bon test permettant de comparer la réponse en rupture de différents films polymère. Les essais EWF sont modélisés en appliquant le modèle de la zone cohésive dans des calculs par éléments finis. Ces calculs nous ont permis de préciser la signification physique du paramètre we. Le paramètre we correspond non seulement l’énergie pour créer la nouvelle surface mais comprend aussi une part de déformation plastique qui intervient dans la zone de processus de rupture interne. Ensuite, la relation microstructure – propriétés à rupture est étudié sur une série des films PET extrudés bi-étirés traités ou non traités. Le bi-étirage avec un premier étirage dans la direction Md (i. E. Direction d’extrusion) suivi par un étirage dans la direction Td (i. E. Direction transversale d’extrusion) provoque une texture fibrillaire dans laquelle les microfibrilles sont parallèles à la direction Td. Avec cette texture, les paramètres microstructuraux (l’orientation de la phase cristalline, le taux de cristallinité, la présence et la densité des molécules liens entre phases amorphe et cristalline) sont discutés. L’orientation de la phase cristalline est responsable de l’anisotropie du module alors que la densité des molécules liens joue un rôle important sur l’anisotropie de rupture des films. Enfin, trois types de films nanocomposites avec des matrices polyamide 6 ou polyéthylène compatibilisé (par PEgMA ou PEgPEo) renforcées par des plaquettes d’argile sont étudiés. Chacun des nanocomposites a une morphologie différente. Meilleure est l’exfoliation, moins les performances à rupture des nanocomposites sont dégradées par l’ajout du renfort argile, car sa présence exige une dissipation élevée d’énergie lors de la propagation des fissures en augmentant la tortuosité.