Mécanismes de déformation des polymères semi-cristallins

1.1.1. Déformation de la phase amorphe

La phase amorphe d’un polymère semi-cristallin existe sous deux formes selon le taux de cristallinité du matériau. On peut la rencontrer en tant que phase indépendante pour un taux de cristallinité faible ou en tant que phase confinée entre les lamelles cristallines. Le polypropylène est une polyoléfine qui présente une cristallinité toujours importante du fait du faible encombrement stérique et de la grande mobilité de ses chaînes macromoléculaires. Par conséquent, on oriente notre étude vers la partie amorphe interlamellaire. Elle est caractérisée par une partie libre contenant des enchevêtrements et une partie liée aux cristallites. Le rôle mécanique de cette phase est la transmission de contrainte d’une lamelle cristalline à une autre par l’intermédiaire de molécules de lien. Ces connexions interlamellaires sont des points de réticulation physique qui confèrent à la phase amorphe une certaine résistance mécanique.

En outre, le glissement des chaînes au niveau des enchevêtrements est une source de déformation irréversible. Les modes de déformation de la phase amorphe interlamellaire sont aux nombres de deux et impliquent les molécules de lien et les lamelles cristallines. Ils sont schématisés sur la figure 1.1.1.

Le premier mode de déformation de la phase amorphe est le glissement lamellaire (figure 1.1.1 b)). Il correspond à un cisaillement de deux lamelles cristallines l’une par rapport à l’autre sous l’effet d’une contrainte de cisaillement (Baltá-Calleja et Peterlin, 1970 ; Kaufman et Schultz, 1973 ; Petermann et Schultz, 1978 ; Butler et al., 1995 ; Haudin et G’sell (1995)). Ce processus conduit à une modification de la longue période. Son action la plus importante est de favoriser l’orientation des lamelles dans la direction de la sollicitation.

Le second mode de déformation de la zone amorphe est la séparation interlamellaire (figure 1.1.1 c)). Elle se manifeste avec une augmentation de l’espace pris par la zone amorphe entre deux lamelles cristallines lorsqu’une contrainte est appliquée parallèlement à la direction des chaînes macromoléculaires (Balta-Calleja et Peterlin (1970) ; Keller et Pope,

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(1971) ; Petermann et Schultz (1978) ; Haudin et G’sell (1995)). Cette déformation a pour conséquence une diminution de la densité de la phase amorphe et une création de microcavités (Balta-Calleja et Peterlin (1970) ; Friedrich (1983) ; Kramer (1983) ; Castagnet et al. (2000) ; Tijssen et al. (2000)).

Figure 1.1.1 : Mécanismes de déformation interlamellaire. a) état non déformé, b) glissement interlamellaire et c) séparation interlamellaire (G'sell et Dahoun, 1994).

1.1.2. Déformation de la phase cristalline

Compte tenu de la grande rigidité de cette phase cristalline par rapport aux zones amorphes, sa déformation n’intervient que lorsque les chaînes macromoléculaires interlamellaires sont totalement dépliées et étendues vers la direction de la sollicitation mécanique. Les lamelles cristallines se déforment également suivant des mécanismes de glissement, mais uniquement selon des systèmes dont les plans cristallographies comprennent l’axe des chaînes (Peterlin (1971)). Cette restriction est due à la présence des liaisons covalentes le long des chaînes. Parallèlement aux chaînes, les plans de glissement ne dépendent que de liaisons de van der Waals entre les chaînes macromoléculaires (Lin et Argon (1994)). Ces plans présentent une densité atomique élevée. Dans le cas du polypropylène, la direction des chaînes macromoléculaires est orientée selon l’axe c

des cristaux. Les plans de glissement ont donc comme indices de Miller (hk0) et les directions de glissement ont deux orientations possibles : i) parallèle à l’axe des chaînes <001> et ii) perpendiculaire à l’axe des chaînes <uv0> (figure 1.1.2). Dans le polypropylène (figure 1.3.3), les systèmes de glissement parallèles aux chaînes sont (100)[001], (010)[001]

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et {110}[001] tandis que les systèmes de glissement perpendiculaires à la direction des chaînes sont (100)[010], (010)[100] et {110}<110> (Dahoun, 1992).

Figure 1.1.2 : a) Glissement selon la direction des chaînes "Chain Slip" et b) Glissement perpendiculaire à la direction des chaînes "Transverse Slip" (G'sell et al., 1992).

Figure 1.1.3 : Systèmes de glissement au sein d’une maille monoclinique de polypropylène  (Dahoun, 1992).

Sous l’action de la contrainte, la phase cristalline peut subir une transformation de phase ou transformation martensitique. Dans le cas du polypropylène cristallisé sous sa forme

, ce type de modification structurale intervient lorsque le matériau développe une striction : la phase  disparaît au profit de la phase α (Li et Cheung, 1998 ; Jiang et al., 2004).

1.1.3. Interactions entre les zones amorphes et cristallines

Dans le cas d’un sphérolite  de polypropylène soumis à une traction uniaxiale, la déformation s’initie en son centre (Aboulfaraj et al., 1995). Elle se propage ensuite aux zones équatoriales, où les lamelles vont s’écarter les unes par rapport aux autres (figure 1.1.4 a)). Dans les zones diagonales (figures 1.1.4 b) et d)), les lamelles subissent les deux types de mécanismes de déformation dits de glissement et de séparation interlamellaires.

Dans la direction méridionale (zones polaires), la direction des chaînes est orthogonale à l’axe de traction. Ainsi, la compression latérale due à la déformation des zones équatoriales et

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diagonales provoque une fragmentation précoce des cristallites (Fond et G’sell, 2002).

Globalement, lorsqu’un sphérolite est déformé en traction : il prend une forme ellipsoïdale dont la longueur principale est orientée dans la direction de la sollicitation mécanique.

a c b d

a b

c d

Figure 1.3.4 : Mécanismes de déformation dans un sphérolite en traction uniaxiale (Aboulfaraj et al., 1995)

En se basant sur les travaux de Balta-Calleja et Peterlin, (1970), Peterlin et Meinel, (1971), Young et al., (1973) Samuels, (1974) et bien d'autres, Schultz, (1974), propose un modèle d'endommagement des polymères semi-cristallins aux grandes déformations (figure 1.1.5). Dans ce modèle, repris par plusieurs auteurs (Petermann et Schultz, 1978 ; Haudin, 1982 ; Haudin et G’sell, 1995 ; Petermann et al., 1987 ; Baranov et Prut, 1992 ; G'sell et Dahoun, 1994 ; Bartczak et al., 1996), la déformation de la phase amorphe et des lamelles cristallines (situées dans une zone non équatoriale), se fait en quatre étapes :

i) sous l'effet d'une contrainte appliquée, les lamelles glissent les unes par rapport aux autres.

Ce glissement induit une extension des chaînes de la phase amorphe et une séparation lamellaire.

ii) une fois que les segments de chaînes de la phase amorphe sont fortement étirés, les contraintes sont transmises aux lamelles cristallines où les mécanismes de déformation de type cristallographique sont actifs.

iii) après une forte déformation plastique des lamelles cristallines, les mécanismes d'endommagement ont lieu par fragmentation des lamelles selon le modèle de Peterlin, (1971) et Schultz, (1974).

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iv) la fragmentation se poursuit par un débobinage des lamelles et l'orientation des chaînes parallèlement à la direction de sollicitation.

Figure 1.1.5 : Différentes étapes de déformation des polymères semi-cristallins (Schultz, 1974)

Pour les zones équatoriales d'un sphérolite, où les lamelles cristallines ont une orientation qui ne favorise pas les mécanismes de déformation de type cristallographique, Nitta et Takayanagi, (1999 et 2000) proposent un modèle d'endommagement qui prévoit après l’étape de la séparation interlamellaire (figure 1.1.6 a)), une fragmentation des lamelles cristallines. En effet, les chaînes macromoléculaires de la phase amorphe sont étirées dans la direction du chargement et soutiennent toute la force externe appliquée. Le transfert de l'effort aux surfaces des lamelles se traduit par leur fragmentation selon un mode mécanique de flexion (figure 1.1.6 b) et c)).

Figure 1.1.6 :Modèle de déformation des polymères semi-cristallin selon Nitta et   Takayanagi, (2000) : a) séparation interlamellaire, b) déformation des lamelles  

en flexion et c) rupture des lamelles.

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