Influence de nanoparticules et d'élastomères polyoléfines sur le comportement d'un polypropylène choc
Institution:
LorientDisciplines:
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Abstract EN:
The objective of this thesis is to study the reinforcement of a PP copolymer for automotive applications with recycling prospects. Three different systems were explored: PP/Polyolefin elastomer binary blends, PP/calcium carbonate nanocomposites and PP/POE/CaCO3 hybrid ternary blends. Blends were prepared by melt-blending in a twin-screw extruder, followed by injection molding. In binary systems, thermal behavior, morphology and mechanical properties of PP copolymer and metallocene based ethylene--olefin copolymer blends were investigated. Evaluation of the viscoelastic properties showed that these blends are partially miscible whatever the composition. The EP chains are responsible of the compatibility in PP/POE blend and the morphology, especially nodules size, is correlated to miscibility and elastomer contents. In PP/CaCO3 blends, PP matrix was reinforced with CaCO3 as rigid particles to improve the impact properties. The effect of CaCO3 size and surface treatment of calcium carbonate on thermal, mechanical and rheological properties were studied. State distribution of fillers and blend morphology were investigated by SEM and rheological measurement and correlated to mechanical properties. Toughening mechanism is dominated by the complex morphology formed and interactions between components. DSC measurement shows that nucleating efficiency of CaCO3 is a result of the agglomeration of CaCO3 and interaction with the EP phase. Comparative study with a homopolymer PP matrix showed the formation of a new crystalline form induced by CaCO3 filler. For the hybrid nanocomposites, a significant improvement in the impact strength and elastic modulus is obtained with dispersions of 1-5 wt % fillers. The phase structuration of ternary composites was investigated by SEM, DMA and DSC. The behavior of nanocomposites is strongly influenced by the dispersion of the fillers and the interfacial interactions between the different components.
Abstract FR:
Cette thèse, réalisée en co-tutelle entre le LAboratoire des Systèmes ElectroMécaniques (LASEM) de l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax et le Laboratoire d’Ingénierie MATériaux de Bretagne (LIMATB) de l’Université de Bretagne Sud (UBS), s’intéresse à l’étude du renforcement d’un polypropylène choc pour une application automobile et dans une perspective de recyclage. Trois voies ont été explorées à travers l’étude de trois systèmes différents : des mélanges binaires de PP avec deux types de renforts, soit un renfort souple, de type élastomère polyoléfine (POE), une nouvelle famille d'élastomères thermoplastiques, soit un renfort rigide, un carbonate de calcium (CaCO3) nanométrique et des mélanges ternaires hybrides. Une matrice homopolymère a également été utilisée pour l’influence de la matrice. Dans les systèmes binaires PP/POE, l’étude du comportement thermique et viscoélastique a montré une miscibilité partielle du POE avec le PP copolymère quelle que soit la composition. La présence d’une phase éthylène-propylène est déterminante dans la compatibilité de ces mélanges. Cependant, la morphologie obtenue, en particulier la taille des nodules, dépendent de la miscibilité et de la composition des mélanges. Les propriétés mécaniques au choc varient avec la teneur et la nature chimique de l’élastomère. Pour les nano-composites PP copolymère/CaCO3, l’influence de la taille des particules et du traitement des charges sur les propriétés thermiques, mécaniques et rhéologiques a été étudiée. Ces charges inorganiques ont montré un faible pouvoir nucléant et renforçant vis à vis de la matrice copolymère. Une étude comparative avec une matrice PP homopolymère a montré la formation d’une nouvelle phase cristalline induite par la présence de CaCO3. Une caractérisation multi échelles de la dispersion des particules dans la matrice copolymère a mis en évidence l’influence majeure de la phase éthylène-propylène présente dans la matrice PP. Des mélanges ternaires hybrides ont été élaborés par ajout de carbonate de calcium nanométrique à faibles pourcentages, afin de compenser la diminution de rigidité des systèmes PP/POE. Un mélange en deux étapes a mis en évidence la formation de structures core-shell à cœur mou. Les morphologies formées sont fortement corrélées aux interactions interfaciales entre les différents constituants en présence. Le comportement mécanique est largement dépendant de la morphologie des mélanges, en particulier de la taille des nodules formés et varie selon la nature de l’élastomère et la composition des mélanges. Une meilleure dispersion des particules entre les nodules d’élastomères permet la superposition des champs de contraintes et par conséquent une amélioration des propriétés au choc et la conservation d’un niveau de rigidité satisfaisant.