Academic literature on the topic 'Fatigue des mousses polymères'

Invented in the 1930s, polyurethanes (PU) are a special group of polymeric materials. In France, only 3 kt of PU are recycled annually out of a production of 250 kt. The potential of recovery of this waste is therefore questioned and the agronomic way for the construction of fertile soils is considered. A study was conducted to evaluate the relevance of adding PU foam in a growing media (GM) for plantation, and to know if they can confer interesting characteristics for plant growth without any risk for the environment.The tested GMs were mixtures of compost (Material of Agronomic Interest from Water Treatment, NF U44-095), foams and arable topsoil. The foams used were derived from the core of PU mats. Four volume ratios of compost/foam mixtures were achieved. Topsoil was added at different volume ratios to constitute the final GMs (16 final GM).Ecotoxicological analyses show the safety of the tested GMs. Greenhouse trials over 54 days allowed to follow the development of ryegrass in GMs.Planting media with suitable agronomic potential for green roofs have been identified, based on the experimental results of the study, and will be tested on a larger scale. Inventé dans les années 1930, les polyuréthanes (PU) sont un groupe spécial de matériaux polymères. En France, seulement 3 kt de PU sont recyclés annuellement sur une production de 250 kt. Le potentiel de valorisation de ce déchet est donc questionné et la voie agronomique pour la construction de supports de cultures non alimentaire pourrait être envisagée. Une étude a été menée pour évaluer la pertinence d'apport de mousses PU dans un substrat de plantation, afin de savoir si elles peuvent lui conférer des caractéristiques physico-chimiques intéressantes pour la croissance végétale sans risque pour l'environnement. Les substrats testés sont des mélanges de compost (Matière d'Intérêt Agronomique issue du Traitement des Eaux, NF U44-095), de mousses PU et de terre végétale. Les mousses utilisées sont issues de l'âme de matelas en PU. Quatre ratios volumiques de mélanges compost/mousse ont été réalisés. De la terre végétale a été ajoutée à différents ratios volumiques pour constituer les substrats finaux (16 substrats finaux). Les analyses écotoxicologiques montrent l'innocuité environnementale des substrats testés. Des essais sous serre pendant 54 jours ont permis de suivre le développement du ray-grass dans les substrats. Des supports de plantation avec un potentiel agronomique adapté pour les toitures végétalisées ont été identifiés et seront testés à plus grande échelle.

Les butées d’amortisseur en mousse de polyuréthane sont largement utilisées dans le milieu automobile. Leur principale fonction est d’amortir les chocs verticaux aux roues et de contribuer à l’intégrité de la suspension du véhicule. La réponse mécanique de ce type de pièces implique de prendre en considération différents mécanismes, allant du flambement des parois de la pièce à l’auto-contact en passant par les non-linéarités géométriques. La caractérisation actuelle de ces butées d’amortisseur en mousse de polyuréthane en fatigue est aujourd’hui limitée au cahier des charges du client et aux tests prédéfinis par celui-ci. L’objectif de cette thèse est de mener une caractérisation expérimentale complète du comportement mécanique afin d’aboutir à l’identification d’une loi de comportement type Hyperfoam. Cette caractérisation est effectuée en s’appuyant également sur des techniques d’imagerie, MEB et tomographique, afin de caractériser le lien entre la microstructure et le comportement mécanique de la butée d’amortisseur. Cette étude doit permettre au final, de définir une démarche globale pour le dimensionnement en fatigue des butées d’amortisseur en mousse de polyuréthane
Polyurethane foam jounce bumpers are widely used in the automotive industry. Their main function is to absorb vertical shocks to the wheels and contribute to the integrity of the vehicle suspension. The mechanical response of this type of parts implies to take into account different mechanisms, from the buckling of the walls of the part to the self-contact through the geometrical non-linearities. The current characterization of these polyurethane foam jounce bumpers in fatigue is currently limited to the customer’s specifications and to the tests predefined by him. The objective of this thesis is to carry out a complete experimental characterization of the mechanical behavior in order to identify an Hyperfoam type behavior law. This characterization is also based on imaging techniques, SEM and tomographic, in order to characterize the link between the microstructure and the mechanical behavior of the jounce bumper. This study should allow to define a global approach for the fatigue design of polyurethane foam jounce bumper

L’objet de ce travail est de produire et de caractériser des composites structuraux à base de polypropylène et de mousse. La première partie est consacrée au renforcement du polypropylène avec des fibres de chanvre en étudiant l’effet de la concentration de la fibre, de la taille des fibres et de la concentration en agent de couplage sur les propriétés mécaniques. Une étude morphologique par photomicrographies a permis d’expliquer les résultats mécaniques en tension et flexion. On montre que 2% d’agent couplant est suffisant pour optimiser les modules. Dans la deuxième partie, des mousses de polypropylène sont produites par compression avec différentes concentrations d'agent gonflant afin de déterminer l’effet de la réduction de densité et du profil de densité sur les propriétés en tension et flexion. Une caractérisation complète de la morphologie des mousses en termes de taille de cellules, de densité de cellules et d’épaisseur de la peau est faite. L'utilisation du profil de densité est nécessaire afin d’obtenir une bonne prédiction des propriétés mécaniques. Finalement, des structures sandwich avec différents pourcentages de peau et de densité de cœur sont produites. Une analyse morphologique du cœur est rapportée avec les propriétés mécaniques en tension et flexion. On montre qu’une très bonne prédiction peut être faite en utilisant simplement la loi des mélanges et le modèle quadratique avec le profil de densité pour l’effet de la peau et du cœur, respectivement.
The aim of this work is to produce and characterize polypropylene structural composite foams. To do so, the work is divided in three parts. The first part is devoted to study the reinforcement of polypropylene with hemp fibres by changing the fibre content, fibre size and coupling agent concentration. Micrographs are used to explain the results of the mechanical properties measured under tensile and flexural stress. It is found that 2% of coupling agent gives the optimum modulus values. In the second part, polypropylene foams are produced by compression moulding with different concentrations of blowing agent to determine the effect of density reduction and density profile on the tensile and flexural properties. The morphological characteristics (cell size, cell density and skin thickness) of the foams are also examined. It is found that the use of the complete density profile is necessary to predict with high precision the mechanical results. Finally, sandwich structures are produced with different skin ratio and core densities. A complete morphological analysis is reported with mechanical properties (tensile and flexural). It is shown that the simple law of mixture and the square power-law combined with the density profile are enough to predict the effect of the skins and core, respectively.

Dans cette thèse expérimentale sur la physique des mousses liquides, plusieurs thématiques sont abordées ayant pour point commun la mise en évidence du couplage entre les différentes échelles d'organisation de la mousse. La première partie traite plus spécifiquement de physico chimie par la modification de la formulation des solutions utilisées. Nous avons ainsi réalisé des mousses dopées à la laponite, présentant des propriétés inhabituelles. Nous exposons par ailleurs les résultats d'études interfaciales d'un polymère thermosensible, le poly(N-isopropylacrylamide) et d'un tensioactif photosensible (AzoTAB). Dans la seconde partie de cette thèse, nous discutons d'un nouveau protocole de rhéologie appliqué aux mousses ainsi que de propriétés acoustiques de ce matériau.

L'utilisation des mousses de polymères réticulés gagne de plus en plus de terrain, notamment pour l'absorption acoustique. Ce travail présente de nouvelles approches pour la caractérisation de ces matériaux, possèdant un comportement en hystérésis avec 3 zones distinctes. Tout d'abord le comportement linéaire est présenté sur une large gamme de fréquences grâce à l'application du principe de Superposition Temps-Température (TTS). 2 aspects sont ainsi mis en évidence: une faible portion du squelette participe à la transmission de la contrainte, et le module élastique à fréquence nulle décroît avec la taille des pores. Ensuite une extension de la théorie Preisach issue du magnétisme est présentée pour de grandes déformations: l'hystérésis est ainsi modélisée à partir d'une distribution d'hysterons microscopiques. Enfin, 2 mécanismes de relaxation de ces mousses sont distingués. La relaxation principale réduit les contraintes par réarrangement topologique des poutres de la mousse
The use of cross-linked polymer foams gains ground more and more, particularly for acoustic absorption. This work present new approaches for the characterization of these materials, which have a behavior in hysteresis with 3 distinct zones. First the linear behavior is presented on a large frequency band with the application of the Time-temperature Superposition (TTS) principle. 2 aspects are thus shown: a weak portion of the skeleton takes part in the stress transmission, and the elastic modulus at null frequency decrease with the pore size. Then an extension of the magnetism Preisach's theory is presented for great deformations: hysteresis is thus modelled starting from a distribution of microscopic hysterons. Lastly, 2 compressive relaxation mechanisms are distinguished. Principal relaxation decreases stress by topological rearrangement of the foam beams

L'utilisation des matériaux cellulaires à base de polymères type mousse gagne de plus en plus de terrain, notamment pour l'absorption acoustique. L'objectif de ce travail est de présenter de nouvelles approches pour la caractérisation de ces matériaux.
Diverses méthodes ont été développées afin de caractériser ces matériaux, en particulier leur domaine linéaire, zone privilégiée pour l'absorption acoustique et la détermination des paramètres mécaniques courants. Cependant ces caractérisations restent souvent limitées à une faible plage fréquentielle. Une première étude présente ici le comportement linéaire sur une large gamme de fréquences grâce à l'application du principe de Superposition Temps-Température (TTS). L'utilisation du TTS sur une famille de mousses obtenues avec le même polymère, de même densité, mais dont la taille des pores est différente, met en évidence deux aspects importants: seulement 3 % du squelette solide participe à la transmission de la contrainte, et le module élastique à fréquence nulle décroît avec la taille des pores.
Les mousses de polymères sont certes souvent utilisées dans leur domaine linéaire, mais leur comportement mécanique diffère à de plus forts niveaux de déformation. Les courbes en contrainte-déformation présentent un comportement en hystérésis, avec trois zones de comportement distinctes (linéaire, flambement et densification). Il existe d'autres phénomènes en hystérésis qui ont été plus simplement modélisés, par exemple à l'aide de la théorie de Preisach-Krasnoselskii-Mayergoyz (PKM) issue du magnétisme. Une seconde partie de ce travail présente une nouvelle extension de cette théorie PKM aux mousses de polymères réticulés à cellules ouvertes, soumises à de grandes déformations: nous pouvons ainsi modéliser l'hystérésis observée expérimentalement, à partir d'une distribution d'hysterons microscopiques contenus dans un espace de Preisach-Mayergoyz.
Dans une troisième partie, l'influence de l'histoire passée des contraintes sur la mesure des paramètres mécaniques d'une mousse est étudiée, et plus particulièrement la rhéologie de ces mousses dans le cadre de la relaxation de compression, en distinguant deux mécanismes, l'un en zone linéaire de chargement et l'autre en dehors. Liée à l'histoire des contraintes passées, ce second mécanisme de relaxation permet la réduction des contraintes par réarrangement topologique des poutres de la mousse.

Ce travail de thèse porte sur le développement d’une nouvelle génération de mousses polymères biosourcées capables de satisfaire la fonction d’âme alvéolaire et structurale de pièces automobiles. Les formulations époxy choisies comme base polymère reposent sur deux différents prépolymères époxy, l’huile de lin époxydée (ELO) et le glycérol époxydé (GE). Ces derniers, associés en proportions variables, sont réticulés avec deux différents durcisseurs : l’isophorone diamine (IPDA) ou l’anhydride méthyl tétrahydrophtalique (MTHPA). Les formulations ternaires « ELO – GE – durcisseur » ont été caractérisées selon une approche multi-techniques (DSC, TGA, rhéométrie dynamique et en mode permanent) permettant d’établir des relations structure-propriétés fiables. Puis, la production d’une mousse a été possible grâce à la maîtrise d’une réaction chimique qui se déroule parallèlement à la réticulation de la résine époxy. Le bicarbonate de sodium et de potassium ont été retenus comme agents moussants. Afin d’améliorer les performances finales des mousses, la proportion de GE au sein des formulations polymère à base IPDA a été augmentée. Mais, une telle modification induit la dégradation thermique du système à cause de l’exothermicité élevée de la réaction de réticulation. L’introduction d’un absorbeur d’exothermicité, permet grâce à sa décomposition endothermique de contrôler l’excès de chaleur dégagée et par la même d’empêcher la dégradation. Une dernière classe de durcisseurs a également été étudiée et donne après optimisation des mousses dotés d’excellentes propriétés ultimes. Ainsi, une large gamme de mousses biosourcées rigides et légères pouvant être mises en œuvre dans un temps très court a été développée
This thesis focuses on the development of a new generation of bio-based polymer foams able to produce low density core in sandwich structure for automotive applications. The polymer formulations used in this research contain two different epoxy compounds, epoxidized linseed oil (ELO) and the epoxidized glycerol (GE). Combined in varying proportions, they were cured with two different hardeners, isophorone diamine (IPDA) or methyl tetrahydrophthalic anhydride (MTHPA). Ternary formulations “ELO – GE – hardener” were characterized by a multi-techniques approach (DSC, TGA, rheometry in steady or dynamic mode) in order to establish structure-property relationships. The production of polymeric-foam materials was carried out by tuning a chemical reaction which takes place during curing. Sodium bicarbonate and potassium bicarbonate were used as harmless foaming agents. In order to improve the final performances of the foams, the ratio GE/ELO was increased in the reactive formulations based on IPDA hardener. But, such modification provokes also the thermal degradation of the system because of the high exothermicity of the curing reaction. The introduction of “exothermicity regulators” that undergo endothermic transformations allowed to control the excess of released heat and consequently, to prevent the material degradation. A last class of hardener was also studied and made it possible after optimization the production of foams with good ultimate properties. To conclude, a large range of biobased and lightweight rigid foams able to be produced in a few minutes was developed

Les dispositifs de diagnostics à bas coût au point d'intervention reposent notamment sur la microfluidique et un support adapté. La mousse polymère dispose de propriétés mécaniques et structurales particulières (porosité, élasticitédots) qui la distinguent des autres matériaux utilisés en microfluidique (PDMS, papier, matières plastiques, verre, siliciumdots). Cette thèse porte sur l'investigation systématique des différentes potentialités offertes par la mousse polymère en tant que nouveau support pour la microfluidique. Un procédé de mise en forme est tout d'abord proposé permettant la réalisation d'un microsystème fluidique. Ce nouveau procédé repose sur l'utilisation conjointe d'une mousse polymère et d'un élastomère afin de réaliser des systèmes fluidiques très élastiques, conservant les propriétés structurales initiales de la mousse. Basé sur une technique d'emboutissage contrôlée et reproductible, le procédé est compatible avec une production industrielle. Un modèle numérique associé permet aussi son optimisation. Les dispositifs microfluidiques en mousse ainsi réalisés possèdent, en plus de la capillarité, un atout déterminant : la possibilité d'une compression manuelle ou d'un actionnement péristaltique externes pour un contrôle des écoulements microfluidiques sans contamination. L'actionnement péristaltique est compatible avec un fonctionnement en pompe et en vanne. Une modélisation par approche nodale permet de reproduire dynamiquement le comportement des écoulements dans des canaux fluidiques en mousse. En vue d'une intégration dans des systèmes portables à bas coût, les étapes fondamentales d'un test de diagnostic (récupération et préparation d'un échantillon, détection) sont validées. On montre que la filtration est possible pour des objets de quelques dizaines de micromètres. Les dispositifs en mousse peuvent aussi être fonctionnalisés chimiquement pour optimiser la capture de cibles biologiques. La détection d'éléments biologiques est également possible en fluorescence ou par colorimétrie à partir d'une amplification isotherme de l'ADN. Enfin, un prototype de typage sanguin donne accès au groupe sanguin d'un échantillon de sang total en quelques minutes. Ce dernier test est mené sur un dispositif intégré qui met en valeur l'essentiel des avantages d'un dispositif en mousse : robustesse, simplicité d'utilisation, embarquement de réactifs, association de différents matériaux, déplacement d'un échantillon biologique par compression externe contrôlée par un opérateur, lecture directe d'un résultat de test en quelques minutes
Microfluidics and an appropriate substrate are essentials for the design of low-cost point-of-care diagnostic devices. The particular mechanical and structural properties (porosity, elasticitydots) of polymeric foam are unique among the other widespread materials in microfluidics (PDMS, paper, plastic materials, glass, silicondots). A systematic screening of the different capabilities provided by polymeric foam as a new substrate for microfluidics is offered in this thesis. First off, a shaping process is proposed for the production of fluidic microsystems. This new process relies on the combined usage of a polymeric foam and an elastomer to produce highly elastic fluidic systems that keep the initial structural properties of the foam. Based on a controlled and repeatable embossing technic, the process is compatible with industrial production. A coupled numerical model also allows its optimization. The resulting foam microfluidic devices have, besides capillarity, a decisive asset : the option of a manual compression or an external peristaltic actuation for a contamination-free control of the microfluidic flows. The peristaltic actuation can function as a pump and as a valve. A lumped elements model enables a dynamic reproduction of the fluidic behavior inside the foam channels. To ensure proper integration in low-cost portable devices, the fundamental stages of a diagnostic test (retrieval and preparation of a sample, detection) are validated. We show that filtration of objects of only a few tens of micrometers in size is possible. The foam devices can also be chemically functionalized to optimise the capture of specific biological targets. The fluorescent or colorimetric detection of biological elements is equally possible by means of isothermal DNA amplification. Finally, a blood typing prototype gives access to the blood group of a whole blood sample in a few minutes. This last test is carried on an integrated device which highlights the main benefits of a foam device : robustness, user-friendly, embedded reagents, multiple materials combination, transport of a biological sample by external compression controlled by an operator, direct readout of a result in a few minutes

Les mousses polymères trouvent de nombreuses applications industrielles en tant qu’isolants thermiques, matériaux de structuration ou atténuateurs de choc. En effet, il s’agit de matériaux légers, possédant un excellent rapport masse / rigidité, et demandant de faibles coûts de production.Une des applications envisagées par le CEA est la protection de structures face à des chargements mécaniques générés lors d’irradiations laser ou lors d’impacts de débris micrométriques.L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer la capacité d’atténuation d’une mousse expansée en polyuréthane rigide et d’une mousse syntactique à matrice époxy face à des sollicitations dynamiques extrêmement rapides (> 106 s−1) et intenses (> 10 GPa). Des essais quasi-statiques de compression / décompression et des expériences dynamiques ont ont été réalisés pour analyser le comportement de ces deux mousses pour des vitesses de déformation allant de 10−3 à 106 s−1. L’analyse des résultats expérimentaux montre que ces mousses polymères ont une phase de comportement élastique suivie d’une phase de compaction conduisant à des déformations irréversibles importantes. Les seuils de compaction sont estimés à 9 MPa pour la mousse polyuréthane et 30 MPa pour la mousse époxy en régime quasi-statique, et à 21 MPa pour la mousse polyuréthane et 72 MPa pour la mousse époxy lorsque la vitesse de déformation dépasse 104 s−1. Deux modèles physico-numériques sont développés pour représenter le comportement macroscopique de ces mousses à de telles vitesses de déformation. Les paramètres sont identifiés à partir des résultats d’expériences de compression dynamique (lanceur `a gaz, générateur de pression magnétique). La validité des modèles est testée en comparant les profils de vitesse calcul´es à l’aide d’un code dynamique explicite et les profils de vitesse mesurés lors des expériences. Ces modèles sont ensuite utilisés pour analyser les résultats obtenus lors d’expériences d’irradiation par faisceau d’électrons et de choc laser. Nous démontrons ainsi que les mousses polymères étudiées ont une forte capacité d’atténuation et que les modèles proposés sont valides à grande vitesse de déformation
Polymeric foams are widely used in many industrial applications as thermal insulators, structural materials or shock mitigators. Indeed, they are light weight materials with an excellent weight /stiffness ratio and low production costs. One of the applications which interests the CEA is the protection of structures against mechanical loadings generated by laser irradiation or high velocity impact of small debris.The main objective of this PhD thesis is to investigate the mitigation capability of an expanded polyurethane foam and an epoxy syntactic foam against extremely fast (> 106 s−1) and intense(> 10 GPa) dynamic loadings. Cyclic quasi-static tests and dynamic experiments have been performed to investigate the behavior of these two foams for strain rates ranging from 10−3 to 106 s−1. Analysis of the experimental results shows that these polymeric foams have an elastic behavior phase followed by a compaction phase with significant permanent sets. Compaction thresholds are about 9 MPa for the polyurethane foam and 30 MPa for the epoxy foam under quasi-static loadings and around 21 MPa for the polyurethane foam and 72 MPa for the epoxy foam for strain rates above 104 s−1.Two porous compaction models are developed to represent the macroscopic behavior of these foams for such strain rates. The parameters are identified from the results of dynamic compression experiments (gas gun, low inductance generator). The validity of the models is tested by comparing calculated velocity profiles with an explicit hydrocode and velocity profiles measured during the experiments. These models are then used to analyze the results obtained with electron beam irradiation and laser-driven shock experiments. We demonstrate that the studied polymeric foam shave high mitigation capabilities and that the models are valid for high strain rates

En raison de leurs propriétés : légèreté, isolation phonique et thermique, résistance aux chocs. . . Les mousses de polymères sont omniprésentes dans notre société. Dans ce travail, nous nous intéressons à l'élaboration de deux types de matériaux : les mousses de polyuréthanne et les mousses de polystyrène extrudées. Dans le cas du polyuréthanne, il existe un couplage fort entre la cinétique de polymérisation et l'expansion de la mousse. Pour le polystyrène, nous montrons que la formation de la mousse par un procédé d'extrusion est convenablement modélisée par une approche basée sur la théorie des distributions des temps de séjour. Nous avons tenté de relier l'anisotropie de morphologie d'une mousse à son anisotropie thermique en employant une approche expérimentale et numérique. Nous constatons que l'anisotropie de morphologie d'une mousse industrielle ne permet pas d'observer une anisotropie de champ de température
Polymer foams are used for many applications thanks to their properties: lightness, insulation, impact resistance. . . In this work, we studied the elaboration of two kind of materials: polyurethane foam and extruded polystyrene foam. In the case of polyurethane, the correlation between the kinetic of polymerization and the foaming is important. For the polystyrene, we shown that the residence time distribution theory modelize properly the extrusion process. We found a relationship between the structural anisotropy and the thermal anisotropy coupling an experimental and a numerical approaches. The morphological anisotropy observed on industrial foam does not permit to observe the anisotropy of temperature field