Couplage entre la cinétique de cristallisation, les transferts de chaleur et un écoulement extensionnel dans des conditions industrielles de mise en forme des polymères – KinHeTEX

Les polymères thermoplastiques semi-cristallins sont au cœur du développement de matériaux avancés (renforcés ou non) utilisés dans plusieurs secteurs clés de l'industrie tels que l'aérospatial, l'automobile, le sport, etc. Leurs procédés de mise en forme, qu'ils soient classiques (moulage par injection, extrusion, soufflage de film...) ou plus récents (tel que le RTM thermoplastique), nécessitent d'être optimisés afin d'augmenter les capacités de production sans pour autant faire de compromis ni sur la qualité ni sur la fonctionnalité de la pièce finale. Ce problème crucial d'optimisation doit être abordé de manière pluridisciplinaire en tenant compte des couplages entre les transferts thermiques, l'écoulement et la cristallisation existants dans les procédés industriels.

D'un point de vue pratique, il est impératif de tenir compte de "conditions extrêmes" de mise en forme, à la fois pour les transferts de chaleur (grandes vitesses de refroidissement: jusqu'à plusieurs dizaines de degrés par seconde) et pour l'écoulement (temps de mise en forme courts - une à deux minutes voire moins - avec possible apparition d'instabilités). De telles conditions vont induire de très grandes vitesses de déformation extensionnelle (typiquement 10s-1 pour le procédé de moussage, l'extrusion-soufflage et même plus pour la fabrication de fibres) des molécules de polymère fondu, ce qui va avoir un très fort impact sur la cinétique de cristallisation. L'objectif principal de ce projet est d'étudier, pour la première fois, le couplage entre la cinétique de cristallisation et l'écoulement dans des conditions réelles (et extrêmes) des procédés. Si un nombre important de travaux antérieurs se sont concentrés sur la solidification des thermoplastiques semi-cristallins en tenant compte d'un seul paramètre (température ou vitesse de cisaillement), nous proposons ici une étude du couplage entre la thermique et l'écoulement (et la rhéologie) dans le cas particulier (mais industriellement pertinent) d'un écoulement extensionnel. Pour cela, nous développerons une rhéomètre de Muenstedt. L'originalité tient d'une part dans l'application de conditions anisothermes et d'autre part de coupler ce rhéomètre à une analyse optique in situ pour suivre la cristallisation aux échelles locale et macroscopique. Ce dispositif unique n'est pas disponible dans le commerce et sera construit (pour la première fois en France) au LTN. De grandes déformations de Hencky (jusqu'à 6) pourront être atteintes et ainsi on pourra observer la cristallisation induite par élongation sur une large gamme de déformation élongationnelle. La meilleure compréhension et description du couplage thermocinétique tenant compte de l'effet de l'écoulement en vue d'une simulation du procédé conduira au développement de modèles physiques enrichis, élaborés sur la base des équations non linéaires visco-élastiques pour corréler la nucléation supplémentaire induite à l'orientation moléculaire. Nous proposons aussi d'étudier la nouvelle version du modèle "Molecular Stress Function" qui a récemment prouvé sa capacité à unifier le comportement extensionnel de solutions et de matière fondue. Les résultats attendus sont tout d'abord de développer une nouvel appareil pour réaliser une étude systématique du couplage entre la thermique et l'écoulement extensionnel d'un polymère fondu. Des modèles seront déduits des données expérimentales pour décrire l'effet de cet écoulement sur la cinétique de cristallisation. Les polymères semi-cristallins choisis sont le polypropylène et l'acide polylactique connus pour la sensibilité de leur cinétique de cristallisation aux contraintes mécaniques.
Les équipes impliquées dans le projet sont le LTN (Nantes) pour le développement du dispositif, l'étude rhéologique de fluides complexes et le couplage thermocinétique en condition de procédé et le laboratoire IMP (Lyon) pour la modélisation de la cristallisation induite sous écoulement et l'étude de la microstructure.