Soutenance mémoire
Les matériaux de base : polystyrène cristal et polystyrène choc
Le polystyrène est un polymère thermoplastique linéaire à squelette aliphatique obtenu par polymérisation du motif styrène . Son principal mode de synthèse est la polymérisation radicalaire qui conduit à un polystyrène atactique totalement amorphe (pas de stéréoselectivité).
Le polystyrène atactique est un matériau transparent et fragile que l’on nomme communément polystyrène « cristal ».
Pour améliorer ses propriétés mécaniques, on a recourt à un renforcement de la matrice thermoplastique par des nodules d’élastomères. Ainsi le polystyrène «choc» est un mélange composé d’une matrice polystyrène cristal dans laquelle sont dispersés des nodules d’élastomère, généralement du polybutadiène . Les propriétés mécaniques telles que la résistance aux chocs et l’allongement à la rupture sont ainsi améliorées, mais la rigidité et la transparence diminuent.
Le polystyrène choc est également obtenu par polymérisation radicalaire mais selon trois étapes successives [1] :
– Début de la polymérisation et étape de greffage : les agents radicalaires, introduits dans le mélange miscible styrène/polybutadiène, réagissent avec le styrène mais aussi avec le polybutadiène. Celui-ci peut donc être greffé au polystyrène pour former des copolymères. Cette étape de greffage est importante puisqu’elle contribue à la bonne cohésion entre l’élastomère et la matrice qui confèrera au matériau ses propriétés mécaniques au choc.
– Séparation de phase : elle intervient au-delà d’un certain degré de conversion du styrène en polystyrène, en raison de l’incompatibilité du polystyrène avec le polybutadiène. Le polystyrène, phase minoritaire, est alors dispersé sous forme de gouttelettes dans le mélange homogène styrène/polybutadiène. Les copolymères greffés se concentrent à l’interface où ils jouent le rôle d’émulsifiant.
– Inversion de phase, lorsque le polystyrène devient la phase majoritaire : le polybutadiène est alors dispersé sous forme de nodules au sein de la matrice polystyrène. Il continue alors à réticuler par pontage des molécules d’élastomères sur elles-mêmes.
Les nodules jouent le rôle d’hétérogénéités au niveau desquelles une concentration de contrainte se développe sous sollicitation mécanique. Le renfort élastomère joue donc le rôle d’amorceur de la déformation plastique, qui se produit principalement par craquelure à l’interface nodule/matrice [1]. Il permet ainsi d’accroître la capacité du matériau à dissiper de l’énergie.
En fonction de la quantité de polybutadiène introduite, du taux de greffage et des conditions de synthèse, différentes morphologies et tailles de nodules peuvent être obtenues. La morphologie salami est la plus fréquente pour les taux de greffage classiques (de l’ordre de 10 %) [1]. Elle correspond à des nodules de polybutadiène de grandes dimensions (quelques µm) renfermant des inclusions de polystyrène . Les nodules peuvent également se présenter sous forme d’inclusions, soit une particule sphérique beaucoup plus petite (de l’ordre de 0,3 µm) composées d’un cœur en polystyrène et d’une coquille de polybutadiène.
Les deux grades de polystyrène étudiés ont donc logiquement des propriétés mécaniques différentes à température ambiante, le matériau renforcé choc étant moins rigide et plus ductile que le matériau non renforcé . Les mesures de module sur notre mélange fournissent un module d’élasticité à température ambiante proche de 2000 Mpa. Cette propriété semble donc être fortement influencée par le polymère renforcé.
L’adjonction de polybutadiène a également pour effet d’allonger le plateau caoutchoutique (écoulement retardé), comme l’ont montré Barroso et collaborateurs [2] en comparant les diagrammes viscoélastiques obtenus en rhéométrie de cisaillement (entre 140 et 190 °C) des deux grades de polystyrène choc et cristal que nous étudions (PS 7240 et 1540 de Total Petrochemicals). Leurs travaux indiquent en outre qu’une feuille obtenue par leur mélange à 50/50 présente un spectre très similaire à celui du polystyrène choc ce qui indique que, même diluée, la phase élastomère permet de renforcer le comportement caoutchoutique du matériau.
La feuille extrudée
Connaissant l’importance de la mise en œuvre sur les propriétés des polymères, il est évident que la caractérisation du matériau doit se faire, dans notre cas, sur la feuille extrudée. Il convient en premier lieu de s’assurer que la mise en forme par extrusion n’induit pas d’orientation ou de contrainte résiduelle trop importante. Ceci est réalisé via des mesures de retrait après recuit.
Les mesures ont été réalisées selon la méthode dite au lit de kaolin (norme NF T54-105). Cette méthode consiste à déterminer les variations dimensionnelles d’éprouvettes circulaires, de diamètre initial 100 mm , après un séjour en étuve de 40 minutes pour différentes températures . Nous avons également quantifié le retrait dans le sens de l’épaisseur en fin de recuit à partir de 20 points de mesure. Les éprouvettes sont disposées sur un lit de kaolin ce qui favorise leur glissement et permet une évolution dimensionnelle libre. Les mesures sont effectuées à raison de trois éprouvettes par condition.
Ces mesures montrent que les variations dimensionnelles de la feuille dues à la relaxation des orientations induites par la mise en forme n’excèdent pas 10 %. Elles concernent principalement la direction longitudinale et l’épaisseur, les retraits transversaux restant faibles.
Les retraits ainsi mesurés correspondent aux retraits maximaux permis pour un chauffage convectif en étuve à une température donnée. La question se pose de savoir en quelle proportion le chauffage mis en jeu pour nos essais rhéologiques (en étuve mais d’une durée inférieure à 40 minutes) et le rayonnement infra-rouge préalable au thermoformage permettent de relaxer les orientations de la feuille. Dans l’objectif d’apprécier la cinétique de relaxation de la feuille, quelques essais interrompus ont été conduits à 120 °C . Ces mesures indiquent que les orientations de la feuille sont majoritairement relaxées dès 20 minutes de maintien.
Caractérisation des propriétés viscoélastiques linéaires
Les polymères sont des corps viscoélastiques, c’est-à-dire que leur déformation combine des processus élastiques et visqueux. Leur comportement mécanique se traduit donc par une réponse dépendant du temps suivant la sollicitation. Ces propriétés viscoélastiques sont la traduction des mouvements moléculaires des chaînes au sein du matériau. Leur étude dans le cadre du régime linéaire des petites déformations permet donc de caractériser les phénomènes de relaxation et les transitions qui y sont associées.
Dans la plage de température balayée en thermoformage assisté par poinçon (entre environ Ta + 50 °C et l’ambiante), deux relaxations nous intéressent : la relaxation principale a, associée à la transition vitreuse, et la relaxation sub-vitreuse b. Une analyse bibliographique permet dans un premier temps de décrire les processus moléculaires des chaînes associées à ces deux relaxations. Nous montrerons qu’elles sont intimement liées et dégénèrent en un unique processus à haute fréquence (notion de bifurcation ab).
L’analyse expérimentale par spectroscopie mécanique de notre mélange de polystyrènes permet ensuite d’illustrer ses évolutions de comportement dans la plage de mise en forme. Elle permet de plus de juger de l’influence de l’anisotropie de la feuille sur les propriétés mécaniques en comparant l’évolution des propriétés viscoélastiques dans deux sens de prélèvements.
La sensibilité du comportement à la fréquence de sollicitation dans la gamme de température du procédé sera également mise en évidence et le principe d’équivalence temps-température sera exploité par la construction d’une courbe maîtresse.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre I : Contexte de l’étude
I.1. Présentation du thermoformage
I.2. Problématique de l’étude et démarche
Chapitre II : Propriétés viscoélastiques linéaires du polystyrène dans la gamme de thermoformage
II.1. Présentation du matériau de l’étude
II.2. Caractérisation des propriétés viscoélastiques linéaires
II.3. Etude bibliographique sur l’origine moléculaire du comportement mécanique macroscopique du polystyrène
Chapitre III : Etude expérimentale du procédé de thermoformage assisté par poinçon
III.1. Introduction
III.2. Présentation du prototype instrumenté
III.3. Caractérisation du thermoformage « standard »
III.4. Influence du contact poinçon: frottement et thermique
III.5. Influence des paramètres cinématiques (poinçon feutre)
III.6. Conclusions
Chapitre IV : Comportement mécanique du polystyrène dans la gamme de thermoformage
IV.1. Caractérisation expérimentale
IV.2. Discussion : interprétation en terme d’écart à la transition a
IV.3. Modélisation du comportement dans la gamme du thermoformage
Chapitre V : Caractérisation du contact poinçon feutre/matière
V.1. Frottement
V.2. Thermique
V.3. Conclusions
Chapitre VI : Validation numérique des résultats
VI.1. Présentation du problème numérique
VI.2. Etude de sensibilité dans le cas d’un poinçon isotherme
VI.3. Introduction d’une thermique dans le poinçon
VI.4. Conclusions
Chapitre VII : Conclusions et perspectives
CONCLUSION
