Academic literature on the topic 'Polyéthylène ultra'

Aujourd’hui le développement de nouveaux matériaux polymères ayant de bonnes propriétés repose de plus en plus sur des procédés de mélange ou de compoundage de polymères au lieu de recourir à la synthèse de nouvelles molécules. L’action du mélange peut fortement influer sur la morphologie des matériaux polymères multi-constituants. Les extrudeuses bi-vis (TSE) sont souvent utilisées comme mélangeurs/réacteurs pour des procédés de mélange, de compoundage et d’extrusion réactive. Cependant, l’étude sur la qualité du mélange dans les TSE demeure un grand défi en raison de la complexité géométrique et du caractère transitoire de l’écoulement. Cette thèse a pour objet de développer un nouvel instrument en line pour mesurer en temps réel la distribution des temps de séjour (DTS) qui caractérise la performance du mélange axial et la capacité de convoyage de différents types d’éléments de vis basées sur l’analyse de l’écoulement transitoire et l’évaluation systématique de la théorie de mélange dans les TSE. Le mélange distributif des polymères fondus est caractérisé par la génération de l’aire des interfaces, un paramètre difficile à mesurer expérimentalement. Alors on fait appel à des simulations numériques de type CFD
The development of new materials with improved properties seems to rely nowadays more on blending and compounding than on the synthesis of chemically new polymers. Mixing may have a great effect on the morphology and structure of multi-component polymer materials. Twin-screw extruders (TSE) are widely used as mixers/reactors for blending, compounding, and reactive processing. This work aimed at developing a new instrument to measure in real time the residence time distribution (RTD) which characterizes the axial mixing and transport abilities of different screw elements based on the analysis of the transient flow pattern and systematic evaluation of mixing theory in TSE. Distributive mixing of polymer melts is characterized by the generation of interfacial area, which is experimentally much more difficult to measure. This 3D numerical simulation based on CFD is adopted

Des travaux récents ont montré que des revêtements polymères étaient réalisables par procédé connu sous le nom de Cold-Spray. Ces travaux sont particulièrement importants pour le polyéthylène de très haute masse molaire (UHMWPE) qui ne peuvent pas être mis en forme par les méthodes conventionnelles. Mais les mécanismes d'obtention des dépôts n'avaient pas été analysés. Cette thèse présente une analyse expérimentale mécanique détaillée du comportement à l'impact de particules d'UHMWPE et des mécanismes de formation du revêtement polymère sur un substrat en aluminium (Al) sous l'effet de la pulvérisation à froid de ces particules. La formation du revêtement se décompose en deux étapes : (1) se rapporte à la formation de la première couche de particules (interaction polymère-substrat), (2) à la croissance (par ajout de couches successives) du revêtement polymère (interaction polymère-polymère). La première étape de la formation du revêtement a été étudiée grâce à une technique expérimentale développée dans le cadre de cette thèse et appelée "Méthode de dépôt de particules isolées" (IPD). Il s'agit de déposer des particules isolées de UHMWPE sur un substrat en Al, en utilisant la même machine Cold-Spray, tout en contrôlant de manière précise la température du gaz et la teneur en FNA. Grâce à l'utilisation d'une caméra rapide, il a été possible de déterminer la vitesse des particules d'UHMWPE et par le calcul d'évaluer leur température avant et pendant leur impact. L'efficacité augmente avec d'une part la température et d'autre part la fraction de FNA. Cette efficacité dépend de la compétition entre l'énergie cinétique stockée sous forme d'énergie élastique Eel et l'énergie d'adhésion Ead du polymère à la surface du substrat. Pour que le film polymère se forme, il faut que Ead > Eel. Par ailleurs, Ead dépend de l'interface entre polyéthylène et aluminium, et de la présence de FNA. Les liaisons H disponibles sur la surface des FNA contribuent à l'adhésion, ce qui augmente le domaine de température favorable à la réalisation du dépôt. Concernant la croissance du revêtement, il s'agit cette fois-ci de l'adhésion polyéthylène-polyéthylène, avec toujours l'effet des nanoparticules FNA. Les études microstructurales et mécanique ont montré qu'en frittage conventionnel du UHMWPE sous forte pression, l'ajout de FNA renforce la cohésion des matériaux obtenus, mais que l'effet inverse est observé pour un frittage incomplet (sous faible pression). Enfin, afin d'explorer l'effet de vitesse de sollicitation de l'UHMWPE comparable à celles observées pour le Cold-Spray, des expériences utilisant des barres dites de Split-Hopkinson (SHPB) ont été menées. Les courbes obtenues permettent de disposer d'une cartographie complète du comportement thermo-viscoélasto-plastique de ce polymère, pur ou additionné de FNA
Recent developments showed polymer coatings to be feasible by cold spray (CS) technique on different surfaces. This is especially important for Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) which cannot be classically processed. But the mechanisms behind coating formation was not largely understood. The thesis presents a mechanistic understanding of high strain rate impact behavior of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene and the mechanism of coating formation during CS. The coating formation is first broken down into two major categories: 1. Interaction of UHMWPE with Al substrate (impacting particle-substrate interaction) during a high-speed impact and interaction of UHMWPE with already deposited UHMWPE particles (impacting particle-deposited particles) leading to a buildup in the coating. First stage of coating formation was understood from a technique developed for this work called Isolated Particle Deposition (IPD). In the experimental IPD process, effects of gas temperature and FNA content were calibrated empirically by depositing UHMWPE particles in an isolated manner on an Al substrate. The Deposition efficiency increased with gas temperature and FNA content. The use of an ultrafast video-camera helped to determine the particle velocity, and theoretical calculations helped to evaluate the temperature of UHMWPE particles before and during the impact process. Mechanical response of UHMWPE at different temperatures were understood by calculating elastic strain energy of UHMWPE which decreased with increasing material temperature and increased with the strain rate. Rebound of UHMWPE particles on Al surface depended upon whether UHMWPE particles after impact furnished a contact area with an interfacial bond stronger than elastic strain energy of the particle. External contributions like H-bonds on the FNA surface provide sufficiently strong extra bonds at the contact surface to increase the window of deposition at higher temperatures, which was otherwise very low. Second stage of coating formation was understood from the mechanism of welding of UHMWPE grains at different interfacial loading conditions and at varying FNA contents. The morphological and mechanical characterization showed that when UHMWPE was processed under high loading conditions (using classical sintering technique), FNA particles reinforced the UHMWPE interface. On the contrary, when UHMWPE was processed under low loading conditions, FNA particles weakened the interface. Last to be discussed in the thesis is the strain rate effect of UHMWPE using Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) experiments, in order to approach comparable conditions to what happens during particle impacts. This part of the study discussed in detail the effects a high strain-rate compression has on UHMWPE by analyzing its stress-strain curves, with and without FNA. Thus, the mechanical response data with the inclusion 0%, 4% and 10% FNA to UHMWPE is also presented and discussed

La Compaction à Grande Vitesse (CGV) est un procédé efficace pour mettre en oeuvre par frittage, et dans un temps court, des poudres polymères semi-cristallins quelle que soit leur viscosité en partant d’une température inférieure au point de fusion. L’échauffement et la fusion du matériau est obtenu par une succession d’impacts à une énergie donnée ce qui offre la possibilité de définir finement la quantité d’énergie que l’on souhaite apporter au matériau et la qualité du frittage. Une fusion partielle de la poudre permet de profiter de la cristallinité élevée de la poudre native, un compromis est alors possible entre de hautes propriétés élastiques et une ductilité élevée. La contre-partie de cette efficacité est une mise au point délicate du procédé. Dans le cas du polyéthylène ultra haute masse molaire (UHMWPE), il a été montré que le procédé permet une quasi-abstraction des effets de la masse molaire. Le frittage du UHMWPE demande seulement une réorganisation à courte distance des chaînes qui peut se faire dans un temps très limité. La cohésion de la poudre est assurée essentiellement par la cocristallisation et la création de nouveaux enchevêtrements. La modélisation du procédé a permis de comprendre comment l’énergie cinétique lors des impacts est transformée en chaleur dans la poudre et elle a permis l’établissement d’un critère de processabilité par CGV. Ce critère de processabilité repose sur la déformabilité de la poudre contenu dans la matrice au moment de l’impact. Celle-ci doit être suffisante pour que l’énergie dissipée dans le matériau permette sa fusion en moins de cent coups. Ceci a permis de comprendre pourquoi le polyoxyméthylène peut difficilement se mettre en forme par CGV
High Velocity Compaction (HVC) is an efficient process to mold, in a short time, semicrystalline polymers powders any about their viscosity by starting from a temperature below melting point. Heating and melting occur by successive impacts at a preset energy that offers the possibility to set accurately the energy amount that we would bring to the material and the sintering quality. Partial melting of powder enable to take advantage of the high cristallinity of nascent powders, a compromise is possible between high elastic properties and high ductility. The flip-side of this efficiency is a delicate process settings. For the ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE), it has been shown that the process makes it possible a quasi abstraction of molecular weight effects. UHMWPE sintering needs only a short length reorganisation of chains that could be done in a really short time. Powder cohesion is essentially bring by cocrystallisation and by new entanglements creation. Process modelling allowed to understand how kinetic energy during hits is converted into heat in powder and it’s enable to define a HVC processability criterion. This processability criterion rests on the strainability of powder place in a die during a hit. It has to be sufficient to the dissipated energy in material allows his melting in less than one hundred impacts. This criterion allows to understand why the polyoxymethylene is hard to mold by HVC

Malgré la croissance du marché des batteries lithium-ion, les batteries plomb-acide offrent toujours des avantages que les nouvelles ne sont pas en mesure d'assimiler, notamment en termes de coût, de procédés de fabrication et des besoins réels du marché. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est de valoriser les propriétés des séparateurs PE de batteries plomb-acide qui dominent 90% du marché des séparateurs de batteries plomb-acide. Ces membranes poreuses sont principalement constituées de silice précipitée, un squelette de polyéthylène haute masse molaire (UHMWPE) et elles sont élaborées par un procédé de séparation de phase induite thermiquement (TIPS) avec de l'huile naphténique qui est ensuite extraite. La porosité résultante est ensuite infiltrée avec l'électrolyte de la batterie. Cependant, en raison de la mouillabilité limitée des pores de la membrane par l'électrolyte polaire, seule une fraction de la porosité disponible est efficace. Cette thèse se concentre sur l'amélioration d'une telle porosité mouillable par l'électrolyte afin de réduire la résistivité électrique du séparateur. La mouillabilité des pores n'est pas seulement liée à la présence de silice mais également à la nature de sa surface. Paradoxalement, la silice hydrophobe favorise la qualité du mélange et la dispersion des agrégats; tandis que la silice hydrophile favorise la mouillabilité de la porosité par l'électrolyte. Pour remplir ces critères et obtenir un matériau le plus homogène possible avec une porosité maximale accessible, une modification réversible de la surface de la silice a été réalisée par imprégnation physique de tensioactifs ou par modification chimique avant le procédé d’élaboration de la membrane. Dans un premier temps, des mesures rhéologiques des suspensions de silice dans l’huile, les isothermes de sorption, l’angle de contact et d'autres techniques ont été utilisées pour évaluer le changement des propriétés de surface de la nouvelle silice. Ensuite, les silices préparées ont été dispersées dans les membranes et la porosité, l’état de dispersion, la structure, les propriétés électriques et mécaniques ont été étudiées
Notwithstanding the growth of the market of the new lithium-ion batteries, lead-acid batteries still offer advantages that the new ones are not able to equate especially in terms of cost, manufacturing base and the actual market need. In this context, the aim of this work is to enhance the properties of lead-acid batteries PE- separators that predominate 90% of the market of lead-acid batteries separators. These porous membranes consist mainly of precipitated silica, a backbone of ultra-high molecular weight Polyethylene (UHMWPE) and they are processed using a thermally induced phase separation process (TIPS) with naphthenic oil that is subsequently extracted. The resulting porosity is thereafter infiltrated with the electrolyte of the battery. Yet, due to the limited wettability of the pores of the membrane by the polar electrolyte, only a fraction of the available porosity is efficient. This thesis focuses on the enhancement of such wettable porosity by the electrolyte in order to reduce the electrical resistivity of the separator. The wettability of the pores is not only related to the presence of silica but also to the nature of silica surface. Paradoxically, hydrophobic silica favors the blend and the dispersion of aggregates; while hydrophilic silica promotes the wettability of the porosity by the electrolyte. To fulfill these criteria and obtain a material as homogeneous as possible with maximum accessible porosity, a reversible modification of the surface of silica was realized by physical impregnation of surfactants or by chemical modification before the blending and the dispersion in the membrane. Therefore, rheological characterization of the suspensions, contact angle and sorption isotherms and other techniques were used to evaluate the change in the surface properties of the new silica. Then, these tuned silica were dispersed in membranes and the prorosity, the structure, the electrical and mechanical properties were investigated

Réduire la consommation énergétique est un enjeu essentiel pour la société actuelle. Pour opérer une transition énergétique durable, en particulier dans le domaine des transports, de nouvelles réglementations plus exigeantes sont mises en place. Augmenter la proportion de matériaux recyclés et recyclables ainsi qu'alléger les pièces de structures sont les maitres-mots.L'emploi de polymères peut être une solution mais pour garantir une bonne tenue mécanique, le recours à des composites auto-renforcés (SRP : Self-Reinforced Polymer) constitue un levier d'action. Ils sont composés d'un polymère ou d'une famille de polymères sous deux états physiques, un pour former la matrice et le second pour le renfort. Ils présentent alors une faible densité,une tenue mécanique intéressante et une recyclabilité accrue. Pour appréhender le comportement d'un polyéthylène auto-renforcé,et pouvoir ainsi envisager l'utilisation de ce matériau pour une application donnée, comprendre le comportement de chacun des éléments qui le constitue est primordial.Si le comportement de composites plus conventionnels, comme des composites à matrice thermoplastique renforcée de fibres de verre ou de carbone est bien maitrisé, exploiter des renforts thermoplastiques tels que l'UHMWPE (Ultra-High Molecular Weight PolyEthylene) au sein de composite, complexifie la compréhension du comportement des SRP. L'impact de la température et du temps sur la réponse mécanique des renforts est alors examiné dans un premier temps, et les observations sont reliées à des considérations microstructurales. Un protocole d'essai a été proposé et validé au préalable. Une transition de phase solide est mise en évidence autour de 49°C et engendre un changement abrupt de comportement.Ces renforts UHMWPE sont intégrés au sein de composites et un procédé de moulage par compression est suggéré pour les mettre en œuvre en une seule étape à partir d'une matrice sous forme de granulés. L'effet des différents paramètres du procédé est évalué pour pouvoir proposer une combinaison optimale. La réponse mécanique en traction et en fluage à court et long termes est ensuite analysée et l'intérêt des SRPE ainsi conçus est mis en évidence. En effet, le bénéfice de son utilisation est clair, notamment à basse température.Par ailleurs, la présence de renforts thermoplastiques semble introduire des paramètres supplémentaires qui affectent le comportement des composites et en particulier en fluage. La caractérisation précise et la connaissance des températures de transition de ces derniers sont alors apparues déterminantes, à plus forte raison étant donné que les transitions dépendent de la microstructure du renfort et donc du type d'étirage et des conditions appliquées. Enfin, la recyclabilité des composites mis en œuvre est étudiée puisqu'elle constitue un moteur pour le développement des SRP sur le marché
Reducing energy consumption is an essential issue for today's society. In order to achieve a sustainable energy transition, especially in the field of transportation, new and more demanding regulations are being implemented. The keywords are to increase the proportion of recycled and recyclable materials and lightening structural parts.The use of polymers can be a solution. However, to guarantee good mechanical resistance, the use of self-reinforced composites(SRP) is a lever for action. They are composed of a polymer or a family of polymers in two physical states, one to form the matrix and the second for the reinforcement. They present a low density, interesting mechanical behavior, and increased recyclability. To understand the behavior of a self-reinforced polyethylene and to be able to consider the use of this material for a given application,it is essential to understand the behavior of each of its components. If the behavior of more conventional composites, such as glass or carbon fiber reinforced thermoplastic matrix composites, is well understood, using thermoplastic reinforcements such as UHMWPE (Ultra-High Molecular Weight PolyEthylene) within the composite makes the understanding of the behavior of SRP more complex. The impact of temperature and time on the mechanical response of the reinforcements is then examined in a first step, and the observations are related to microstructural considerations. A test protocol has been proposed and validated before hand. A solid-phase transition is highlighted around 49°C and generates an abrupt behavior change.These UHMWPE reinforcements are integrated into composites. A compression molding process is suggested to process them in a single step from a matrix in granular form. The effect of different process parameters is evaluated to propose an optimal combination.The short and long-term mechanical response in tension and creep is then analyzed, and the interest of the SRPE thus designed is highlighted. Indeed, the benefit of its use is evident, especially at low temperatures. Moreover, the presence of thermoplastic reinforcements seems to introduce additional parameters that affect the behavior of the composites and, in particular, in creep. The precise characterization and the knowledge of the transition temperatures of the latter appeared then determining, mainly since the transitions depend on the microstructure of the reinforcement and thus on the type of stretching and the applied conditions. Finally, the recyclability of the implemented composites is studied since it constitutes a driving force for the development of SRP on the market

Le polyéthylène à ultra haute masse molaire (UHMWPE) présente une viscosité si forte à l’état fondu que seuls des procédés de mise en forme de type frittage peuvent être employé. Ce procédé rarement utilisé pour les polymères reste peu étudié. En particulier les deux principaux mécanismes généralement mentionnés que sont le réenchevêtrement et la cocristallisation aux interfaces sont difficilement observables séparément. Le UHMWPE, grâce à sa très haute viscosité à l’état fondu et grâce à son plateau caoutchoutique extrêmement étendue en température, peut faire l’objet d’essais mécaniques à la fois à l’état semi-cristallin et à l’état fondu. Des poudres natives de UHMWPE de masses molaires comprises entre 0,6 et 10,5 Mg.mol-1 sont utilisées comme matériau de départ pour leur mise en oeuvre par frittage. La consolidation des interfaces par soudage des particules a été effectuée sous pression à différentes températures supérieures au point de fusion et pour différentes durées. Des expériences de traction effectuées soit à température ambiante soit au-dessus du point de fusion ont permis de distinguer le rôle de l'interdiffusion des chaînes au travers des interfaces de celle de la cocristallisation dans les mécanismes de soudage de particules. Il s'est avéré qu’un soudage efficace se produit dans une échelle de temps très courte. La très faible influence de la durée de frittage par rapport à celle de la température de frittage a prouvé que l'interdiffusion des chaînes n'est pas régie par un mécanisme de reptation. L'explosion à la fusion des cristaux « hors-équilibre » de la poudre native est suggérée être le mécanisme principal permettant un réenchevêtrement dans un laps de temps beaucoup plus court que celui de la reptation. La cocristallisation est un phénomène si efficace dans la consolidation de l'interface à l'état solide qu'elle masque significativement la cinétique de réenchevêtrement gouverné par la température, visible dans les tests mécaniques à l’état fondu
One of the main issues of ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) is to overcome its very high viscosity. Powder sintering is then often required instead of injection or extrusion. However, sintering mechanisms remain partially understood. Indeed, the two main mechanisms generally mentioned for interparticle welding, i.e. re-entanglement and cocrystallization, can hardly be observed separately. Fortunately, due to its very high molecular weight, UHMWPE exhibits an exceptionally broad rubbery plateau so that mechanical tensile tests can be easily performed both below and above the melting point. Four UHMWPE of molecular weight in the range of 0.6.106 g.mol-1 to 10.5.106 g.mol-1 have been processed by means of sintering of nascent powders. The interface consolidation or particle welding was carried out under pressure at various temperatures above the melting point and for various durations. Tensile drawing experiments performed either at room temperature or above the melting point enabled to discriminate the role of chain interdiffusion through the particle interface from that of cocrystallization in the mechanism of particle welding. It turned out that an efficient welding occurred within a very short time scale. The very weak influence of sintering time compared to that of sintering temperature gave evidence that chain interdiffusion was not governed by a reptation mechanism. The entropy-driven melting explosion of the “non-equilibrium” crystals in the nascent powder is suggested to be the main mechanism of the fast chain reentanglement and subsequent particle welding within a time scale much shorter than the reptation time. Cocrystallization is so much efficient in the interface consolidation in the solid state that it significantly hides the temperature-governed kinetics