3.3 – Comparaison des différents échantillons

Conformément à la méthode mise en place précédemment, tous les échantillons du Tableau 12 ont pu être analysés et comparés. Dans un premier temps, nous allons analyser séparément les données obtenues sur les coupes transverses puis sur les coupes longitudinales. Ensuite, une analyse couplée permettra de synthétiser et de conclure sur le type de morphologie et leurs dimensions caractéristiques.

Coupes transverses

La Figure 98 montre l’ensemble des micrographies obtenues sur les six mélanges étudiés. Une première analyse qualitative montre que les plus grosses particules sont obtenues pour les échantillons 0M, pour lesquels de grosses structures allongées sont visibles. Ces structures

s’affinent et deviennent de plus en plus courtes à mesure que le nombre de mélangeurs augmente. Finalement, sur la micrographie CM 10M, peu de structures allongées sont visibles. Sur les échantillons BV et CAP, les structures ne sont pas allongées et sont plutôt de symétrie sphérique, c’est-à-dire qu’en fonction de leur forme dans le plan longitudinal, on a affaire à des sphères ou des nodules.

Figure 98. Micrographies de coupes transverses effectuées au MEB dans des zones riches en PC pour les six mélanges : 0 mélangeur (0M), 3 mélangeurs (3M), 6 mélangeurs (6M), 10 mélangeurs (10M), Bivis, CAP.

Le scénario suivant peut être proposé pour expliquer cette évolution : les couches initiales de PC ont été cisaillées lors du passage des granulés structurés dans la vis de la presse et lors de l’écoulement dans le moule. En-dessous d’une certaine épaisseur critique, selon le mécanisme communément admis mais encore peu réellement compris, les couches de PC se rompent et forment des fibrilles, puis des nodules. Une analyse quantitative devrait permettre d’avoir un ordre de grandeur des structures et de l’épaisseur critique en deçà de laquelle se produisent ces ruptures.

La Figure 99 présente l’histogramme de la valeur Dmax pour les différents mélanges. Les pics les plus prononcés autour des petites valeurs (0,5 - 1 µm) sont obtenus pour les échantillons BV, CAP et CM 10M. En revanche, seuls les échantillons CM 0M ont des structures ayant une longueur supérieure à 5 µm.

Figure 99. Histogrammes de Dmax de particules de PC dans les mélanges d'ABS/PC - coupe transverse

Il est intéressant de coupler cet histogramme avec celui présentant le rapport Dmax/Dmin

pour les différents mélanges, présenté sur la Figure 100. Cet histogramme met en avant le fait que les particules observées sur les échantillons CM 10M et BV sont préférentiellement circulaires (rapport d’aspect proche de 1). En revanche, pour l’échantillon CAP, les particules sont un peu plus allongées.

Figure 100. Histogrammes du rapport d’aspect Dmax/Dmin des particules de PC dans les mélanges d'ABS/PC - coupe transverse

Le Tableau 15 résume les grandeurs caractéristiques extraites de ces analyses. Il ressort clairement de l’analyse des valeurs de ce tableau un certain nombre de points. Tout d’abord, les dimensions des particules décroissent à mesure que le nombre d’éléments multiplicateurs augmente. Les particules les plus fines sont obtenues pour les échantillons BV et CAP. Ces

tendances sont confirmées par l’évolution de la valeur de la surface des particules (résultat non présenté ici), qui décroit à mesure que le nombre de multiplicateur augmente et qui est minimale pour les échantillons BV et CAP. Cela confirme bien l’idée d’une rupture progressive des particules.

D’autre part, les dimensions minimales moyennes observées se situent autour de 500 nm. De façon générale, aucune particule de dimension inférieure à 100 nm n’a été observée. Avant de conclure à une épaisseur critique, il semble important de vérifier à l’aide d’une technique d’observation plus adaptée (MET ou AFM) si des particules de taille plus petites sont présentes.

Enfin, il faut souligner que les rapports d’aspects moyens obtenus ne sont pas grands. Ils sont minimaux et proche de 1 pour les échantillons MC 10M, BV et CAP, mais ne dépassent pas la valeur de 3 pour les autres échantillons. Cela signifie que l’on n’arrive pas à créer, dans la direction transverse, de structures fines à haut rapport d’aspect.

Mélange analysé Valeur moyenne de Dmax (µm) Valeur moyenne de Dmin (µm) Valeur moyenne du rapport d’aspect Dmax/Dmin

MC 0M 2,8 ± 1,3 1,01 ± 0,28 2,7 ± 0,7 MC 3M 1,4 ± 0,5 0,61 ± 0,15 2,2 ± 0,6 MC 6M 1,4 ± 0,4 0,55 ± 0,15 2,6 ± 0,6 MC 10M 1,1 ± 0,4 0,62 ± 0,19 1,7 ± 0,3 BV 0,7 ± 0,2 0,46 ± 0,12 1,7 ± 0,3 CAP 0,8 ± 0,3 0,36 ± 0,09 2,1 ± 0,4

Tableau 15. Données caractéristiques des distributions pour les six mélanges étudiés - coupe transverse

Coupes longitudinales

Une analyse similaire a été menée sur les micrographies obtenues sur les coupes longitudinales des six mélanges étudiés, montrés à la Figure 101. Les conclusions qualitatives que l’on retire de l’observation de ces micrographies sont semblables à celles obtenues sur les coupes transverses. Une différence notable toutefois apparait : les structures sont nettement plus allongées dans cette direction que dans la direction transverse. Les structures les plus grosses et les plus fines sont observées sur l’échantillon CM 0M et ces structures s’affinent et

se raccourcissent en augmentant le nombre de mélangeurs. L’échantillon BV présente des structures circulaires peu allongées. En revanche, de longues structures allongées sont visibles sur l’échantillon CAP.

Figure 101. Micrographie de six clichés en coupe longitudinale pris au cours de l’observation MEB pour les six mélanges, 0 mélangeur (0M), 3 mélangeurs (3M), 6 mélangeurs (6M), 10 mélangeurs (10M), Bivis et CAP.

La Figure 102 présente les distributions de la valeur Dmax pour tous les mélanges, pour lesquels le maximum des distributions se situe autour de 1 µm, ce qui indique que les particules obtenues sont globalement de petite taille.

Les distributions du rapport d’aspect Dmax/Dmin sont particulièrement intéressantes. Tout d’abord ces distributions sont très dispersées, allant de 1 pour les particules sphériques jusqu’aux valeurs maximales observables (dans le cas où la structure est continue sur toute la largeur ou longueur de la micrographie de l’ordre de 50 – 60 µm) pour certains échantillons. Dans ce cas, une observation à des grandissements plus faibles est nécessaire pour avoir une vision plus globale de la dimension des structures très allongées. Par exemple, une observation à des grandissements plus faibles des échantillons CAP montrent (cf. Figure 103), sur les coupes longitudinales, que certaines structures gardent une continuité sur plus de 100 µm. Des résultats similaires sont trouvées pour les échantillons CM 0M et 3M.

Figure 103. Observation d’une coupe longitudinale d’un échantillon CAP avec quelques longues structures continues surlignées

Ensuite, comme le montrent les courbes de la Figure 104, les morphologies à faibles rapports d’aspect sont observées préférentiellement sur les échantillons CM 10M et BV, alors que les hauts rapports d’aspect sont obtenus sur les échantillons CAP et CM 6M. Il semble donc que la rupture des couches ne se soit pas pleinement produite sur les échantillons CM 6M. Toutefois, le maximum des distributions pour ces deux échantillons apparait autour de 3 – 4, valeur relativement peu élevée.

Figure 104. Histogrammes du rapport d’aspect Dmax/Dmin (de 1 à 2 : haut ; de 3 à 10 :bas) des particules de PC dans les mélanges d'ABS/PC - coupe longitudinale

Le Tableau 16 résume toutes les valeurs caractéristiques extraites de ces distributions.

Mélange analysé Valeur moyenne de Dmax (µm) Valeur moyenne de Dmin (µm) Valeur moyenne du rapport d’aspect Dmax/Dmin

MC 0M 2,4 ± 0,7 0,81 ± 0,18 3 ± 1 MC 3M 3,8 ± 3,4 0,68 ± 0,24 5 ± 2 MC 6M 1,9 ± 0,8 0,56 ± 0,15 3 ± 1 MC 10M 1,1 ± 0,4 0,49 ± 0,13 2 ± 0,6 BV 1,5 ± 1,0 0,54 ± 0,16 3 ± 1 CAP 2,1 ± 0,7 0,37 ± 0,11 6 ± 3

Il ressort de ce tableau que les structures allongées les plus fines sont produites par le procédé CAP. Les particules les plus sphériques et les plus fines sont observées sur les échantillons CM 10M et sont le résultat de phénomènes de ruptures et relaxations des fines couches des granulés. Les structures nodulaires initiales obtenues par l’extrusion bivis ont été légèrement étirées au cours du cisaillement et de l’élongation induits pendant l’injection.

Synthèse de l’analyse d’images

Pour clore cette analyse qualitative et quantitative, il nous faut mettre en regard les résultats obtenus sur les deux coupes. Seule la confrontation de ces deux observations permet de conclure réellement sur le type de morphologie. La Figure 105 reprend l’ensemble des 6 mélanges étudiés en confrontant les micrographies obtenues dans les deux sens de coupe.

Figure 105. Micrographies dans les deux sens de découpe pour les différents mélanges

Il ressort de l’observation de ces micrographies que la structure initiale des granulés, contrôlée et homogène, a subi de fortes modifications durant l’étape ultérieure d’injection. Ces modifications sont le résultat de fortes déformations de cisaillement et d’élongation induites par le procédé sur la phase dispersée, dont la viscosité n’est pas suffisamment élevée pour rester insensible à ces déformations. La première conséquence de ces déformations est, de façon classique, des particules dispersées de plus petite taille. De plus, les couches initiales

contenues dans les granulés sont déformées, affinées puis rompues lorsque cette épaisseur atteint une épaisseur critique, à partir de laquelle les contraintes interfaciales deviennent non négligeables voire supérieures aux contraintes visqueuses. Cela signifie que pour obtenir des formes allongées (fibrilles et/ou lamelles) en fin d’injection, il ne faut pas passer en dessous de cette épaisseur critique pendant l’étape d’injection. Les couches initiales les plus épaisses ont donc le plus de chances d’éviter la rupture. On constate que ces structures allongées, lorsqu’elles existent, sont bien orientées dans le sens de l’injection.

Pour les échantillons obtenus à partir des granulés multicouches, on voit apparaitre rapidement une coexistence entre les trois types de morphologies. Cette diversité de morphologies transparait dans les distributions des grandeurs caractéristiques présentées précédemment. En effet, cette diversité ne concerne pas seulement le type de morphologie, mais également la dimension de ces morphologies. Pour avoir une idée complète des tailles des morphologies, il faudrait faire une analyse à différentes échelles. Malgré cette diversité, le Tableau 17 de synthèse tente de mettre en avant (en gras) la morphologie principale qui se dégage à la fois des observations des micrographies (à toutes les échelles) et des analyses statistiques. De l’observation des micrographies à plusieurs échelles, et des valeurs issues de l’analyse d’image, on ressort un ordre de grandeur des dimensions caractéristiques de la morphologie principale, données dans ce même tableau.

Mélange analysé

Structures initiales / grandeurs caractéristiques

Structures finales / grandeurs caractéristiques

MC 0M ^couches

épaisseur : 300 µm

lamelles / fibres / nodules

largeur : 1 - 10 µm longueur : 10 – 100 µm

épaisseur : 0,5 – 1 µm

MC 3M ^couches

épaisseur : 60 µm

lamelles / fibres /nodules

largeur : 1 - 10 µm longueur : 1 – 10 µm épaisseur 0,3 – 0,8 µm

MC 6M ^couches

épaisseur : 10 µm

lamelles / fibres / nodules

longueur : 1 – 10 µm diamètre : 1 – 10 µm

MC 10M ^couches épaisseur : 0,6 µm nodules diamètre : 0,5 – 1 µm BV ^nodules diamètre : 1 µm nodules diamètre : 0,5 – 1 µm CAP fibres longueur : taille du granulé (qques mm) diamètre : qques 100 µm fibres / nodules

longueur : qques µm à qques 100 µm diamètre : qques µm

Tableau 17. Types et grandeurs caractéristiques des morphologies obtenues sur les éprouvettes des six mélaanges

III.4- Caractérisation mécanique des éprouvettes injectées

Dans cette partie, nous caractérisons les éprouvettes injectées à l’aide de certains tests mécaniques (traction, choc et analyse thermomécanique dynamique) pour évaluer l’effet de la structuration sur les propriétés mécaniques.