Chapitre II. Présentation des matériaux et des techniques
II.1 Caractérisation rhéologique des polymères utilisés
Polypropylène
Le polypropylène utilisé est un polypropylène homopolymère isotactique de grade extrusion, fourni par la société ATOFINA. Il est commercialisé sous la référence PPH5060. Le Tableau II.1 présente les caractéristiques physiques données par le fabricant ou, à défaut, des valeurs moyennes tirées du Polymer Handbook (1989).
Le comportement rhéologique du polypropylène a été caractérisé dans un rhéomètre à contrainte imposée (Stress-Tech) en mode oscillatoire, pour des fréquences allant de 0,02 à 100 rad.s-1 et à des températures comprises entre 180°C et 240°C. La géométrie utilisée est un plan-plan de diamètre 25 mm et d'entrefer 1 mm. Les échantillons ont été préparés par compression dans un moule thermostaté à 200°C. La contrainte imposée varie de 2,5 Pa pour la plus faible fréquence à 180 Pa pour la plus forte fréquence, pour se placer dans le domaine viscoélastique linéaire et pour que la déformation soit mesurable par le capteur. Ceci conduit à une déformation mesurée comprise entre 0,6% et 5%. L'échantillon a été renouvelé à chaque température.
Chapitre II : Présentation des matériaux et des techniques expérimentales
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Réalisation de nanocomposites polypropylène/argile par extrusion bivis -36-
Tableau II.1 : Propriétés physiques du polypropylène utilisé
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Température de fusion Tf : 164 °C
Indice de fluidité (230°C/2,61kg) : 6 g/10min Etat physique : granulé Masse volumique
du solide à 20°C : 0,905 g/cm3 Conductivité thermique du fondu kl : 0,2 W/m.K
Capacité calorifique massique du fondue Cl : 2 kJ/kg.K
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Les Figures II.1 et II.2 présentent les modules complexes (G' et G") ainsi que la viscosité complexe |ç*| associée, à une température de 180°C, en utilisant le principe de superposition temps/température.
Figure II.1 : Module élastique G' et visqueux G" du polypropylène en fonction de la fréquence (Tréf = 180°).
Les études réalisées permettent de déterminer les constantes rhéologiques qui seront
nécessaires au niveau de la simulation des produits par le logiciel LUDOVIC®. Le facteur de
glissement aT, spécifique à chaque température, exprimant la thermodépendance de la
viscosité, peut être représenté par une loi de type Arrhenius:
ref a T T T R E a exp 1 1 (II.1)
Chapitre II : Présentation des matériaux et des techniques expérimentales
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Ea est l'énergie d'activation (J/mol), R est la constante des gaz parfaits (8,32 J.mol-1.K-1) et Tréf
est la température de référence exprimée en Kelvin. L'énergie d'activation a été calculée à partir de la pente de la courbe ln(aT) en fonction de 1/T. On obtient ainsi la valeur Ea/R = 5788
K. La valeur correspondante de l'énergie d'activation est égale 48,2 kJ/mole.
Figure II.2 : Viscosité complexe|ç*| du polypropylène en fonction de la fréquence (Tréf = 180°C).
Nous supposons que le polymère obéit à la loi de Cox-Merz et nous décrivons son comportement rhéologique par une loi de Carreau-Yasuda, qui permet de prendre en compte le comportement du système à faible taux de cisaillement :
a m a T T a a 1 0 * ) ( 1 ) (
(II.2)où ë est un temps caractéristique, ç0 la viscosité du plateau newtonien à faible taux de
cisaillement, m l'indice de pseudoplasticité et a un paramètre permettant d'ajuster la transition plus ou moins rapide entre le plateau newtonien et la partie en loi puissance. La détermination des paramètres (ë, ç0, m et a) se fait numériquement. Ces paramètres ont été
calculés à partir des courbes maîtresses de la viscosité complexe obtenues à Tréf = 180°C.
L'ensemble des paramètres est présenté sur le Tableau II.2. Le résultat de superposition de courbe calculée à la courbe expérimentale est présenté sur la Figure II.2. Il montre que la loi de Carreau-Yasuda décrit parfaitement le comportement du polypropylène sur tout le domaine de fréquence mesuré.
Chapitre II : Présentation des matériaux et des techniques expérimentales
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Tableau II.2 : Paramètres rhéologiques de la loi Carreau Yasuda pour le polypropylène utilisé
______________________________________________________________________________________________________________________ ç0 (Pa,sm) ë (sec) m a Ea/R (K) ___________________________________________________________________________________________ Polypropylène 9753 0,38 0,29 0,48 5788 ______________________________________________________________________________________________________________________ Compatibilisants
Nous disposons de trois compatibilisants différents, basés sur le polypropylène greffé anhydride maléique (PP-g-MA). Ils sont également fournis par la société ATOFINA. Leur dénomination est respectivement m-PP1, m-PP2 et m-PP3. Les caractéristiques physiques données par le fabricant sont présentées dans le Tableau II.3.
Tableau II.3 : Propriétés physiques des compatibilisants utilisés
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m-PP1 m-PP2 m-PP3 _________________________________________________________________
Température de fusion Tf : - 161 °C 150°C- 170°C
Indice de fluidité (190°C/325g) : - 10 g/10min -
Taux de greffage en anhydride maléique : 0,7% en poids 1% en poids 3% en poids Etat physique : granulé granulé poudre Masse volumique
du solide à 20°C - 0,909 g/cm3 0,900 g/cm3 _________________________________________________________________________________________________________________________________
Le m-PP1 et le m-PP2 se présentent sous forme de granulés et le m-PP3 sous forme de poudre. Le comportement rhéologique de ces compatibilisants a été mesuré à l'aide d'un rhéomètre à contrainte imposée (Stress-Tech). La géométrie utilisée est le cône-plan avec un diamètre de 40 mm et un angle de 2°. Les mesures ont été effectuées à une seule température de 180°C, pour des fréquences allant de 0,02 à 100 rad/s.
Les résultats des modules complexes (G' et G") ainsi que la viscosité complexe |ç*| sont présentés sur les Figures II.3 et II.4. La courbe de viscosité du polypropylène a également été ajoutée pour la comparaison. On constate, pour tous les compatibilisants, que la viscosité est largement inférieure à celle du polypropylène. Les courbes obtenues révèlent que les trois compatibilisants présentent un comportement singulier, notamment à basse fréquence. Le m-PP1 et le m-PP3 ont des caractéristiques rhéologiques quasi similaires. Ils présentent un comportement pratiquement newtonien, avec une viscosité située autour de 35-40 Pa,s, pour une fréquence entre 3 et 100 rad/s. On observe ensuite la remontée du module élastique et de la viscosité complexe à basse fréquence. Pour le m-PP2, la remontée de la viscosité a été observée sur toute la gamme de fréquence, aucun plateau newtonien n'a pu être observé.
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Figure II.3 : Comparaison des modules complexes G’ et G" des trois compatibilisants utilisés, mesurés à 180°C. (,) m-PP1 ; (,) m-PP2 ; (, ) m-PP3 ; symbole plein G’, symbole vide G"
Figure II.4 : Comparaison des viscosités |ç*| en mode dynamique des trois compatibilisants et de la matrice polypropylène, mesurés à 180°C.
La Figure II.5 montre les courbes de balayage en temps effectués à une température de 180°C pour une durée de 30 minutes. On constate que les compatibilisants sont relativement stables, ce qui indique qu'il n'y a aucune évolution du comportement de l'échantillon lors de la mesure. Les comportements précédents ne peuvent donc être expliqués par des problèmes de dégradation. En fait, ces résultats ressemblent à ceux observés par Berzin et al. [67] sur des polypropylènes copolymères dégradés par les peroxydes. La réalisation des PP-g-MA par extrusion réactive, en utilisant des peroxydes, est sûrement à l'origine de ces comportements singuliers.
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Figure II.5 : Evolution des modules complexes pour les trois compatibilisants – Balayage en temps effectué à 1 rad/s et à 180°C. (,) m-PP1 ; (,) m-PP2 ; (, ) m-PP3 ; symbole plein G’, symbole vide G"