Extrusion stability of molten polymers: Effects of pressure and structure of ABA triblock copolymers.
Stabilité en extrusion des polymères fondus. Effets de la pression et de la structure des copolymères triblocs de type ABA
Résumé
Extrusion is a processing operation widely used in various industries such as polymer processing, metallurgy, ceramics or still in the food industry. Materials undergo high pressures and stresses when extruded at acceptable rates. The aim of this thesis is to gain some insight on the pressure and stress conditions and to better understand theirs effects on the properties and extrusion stability of polymers. Moreover, these effects will be related to the mesoscopic structure of polymers.
4 polyethylenes (PEs) with different structures have been considered to study the effects of pressure. Firstly, the precise experimental conditions allowing to isolate pressure effects from temperature effects and the distinction between stable and unstable flows has been established. Our results show that pressure effects in shear and in elongation can be considered as being equal for 3 out of the 4 PEs. In the case of the fourth one, pressure effects in shear were found to be 30% higher than in shear.
Our results also show that it is a critical shear stress criterion that characterizes the appearance of viscoelastic instabilities. Moreover, we show that this critical shear stress is independent of mean pressure.
In the second part of this thesis, three SEBS block copolymers showing microphase separation, have been considered. Firstly, the macroscopic defects and the propagation of surface cracks during extrusion have been studied. We have shown the origin of flow split at the die exit and an original extrusion regime has been identified: “continuous peeling”. Then, the effects of extrusion on structure have been studied by SAXS with an in-house developed rheometer.
4 polyethylenes (PEs) with different structures have been considered to study the effects of pressure. Firstly, the precise experimental conditions allowing to isolate pressure effects from temperature effects and the distinction between stable and unstable flows has been established. Our results show that pressure effects in shear and in elongation can be considered as being equal for 3 out of the 4 PEs. In the case of the fourth one, pressure effects in shear were found to be 30% higher than in shear.
Our results also show that it is a critical shear stress criterion that characterizes the appearance of viscoelastic instabilities. Moreover, we show that this critical shear stress is independent of mean pressure.
In the second part of this thesis, three SEBS block copolymers showing microphase separation, have been considered. Firstly, the macroscopic defects and the propagation of surface cracks during extrusion have been studied. We have shown the origin of flow split at the die exit and an original extrusion regime has been identified: “continuous peeling”. Then, the effects of extrusion on structure have been studied by SAXS with an in-house developed rheometer.
L'extrusion est un procédé de mise en forme très répandu dans des industries variées telles que la plasturgie, la métallurgie, les céramiques, ou encore l'industrie agroalimentaire. Les matériaux doivent cependant être soumis à des niveaux de pression et de contrainte élevés pour être extrudés à des débits suffisants.
La présente thèse a pour objectif de mieux connaître l'influence des paramètres de pression et contrainte sur les propriétés des polymères et la stabilité de leurs écoulements, et ce en relation avec leur structure mésoscopique.
Les effets de la pression ont été étudiés sur quatre polyéthylènes (PE) de structures différentes. D'abord, les conditions expérimentales précises ont été définies pour isoler les effets de la pression des effets de la température et pour différencier les écoulements stables ou instables. Nos résultats montrent que les effets de la pression sont les mêmes en cisaillement et en élongation, sauf pour l'un des PE où ils sont 30% supérieurs en cisaillement. En outre, c'est un critère de contrainte critique qui caractérise l'apparitions des instabilités viscoélastiques quelle que soit la pression moyenne.
Dans la deuxième partie de cette thèse, trois copolymères de la famille des SEBS montrant une séparation de phase aux échelles nanoscopiques ont été considérés. L'étude des défauts macroscopiques d'extrusion, et de la propagation de fissures surfaciques, de ces copolymères à blocs a permis d'identifier l'origine du défaut dit de « refente d'extrudat » ainsi qu'un nouveau régime d'extrusion : le « pelage continu ». Ces défauts ont été mis en relation avec la structure mésoscopique par des essais de diffusion de rayons-X aux petits angles.
La présente thèse a pour objectif de mieux connaître l'influence des paramètres de pression et contrainte sur les propriétés des polymères et la stabilité de leurs écoulements, et ce en relation avec leur structure mésoscopique.
Les effets de la pression ont été étudiés sur quatre polyéthylènes (PE) de structures différentes. D'abord, les conditions expérimentales précises ont été définies pour isoler les effets de la pression des effets de la température et pour différencier les écoulements stables ou instables. Nos résultats montrent que les effets de la pression sont les mêmes en cisaillement et en élongation, sauf pour l'un des PE où ils sont 30% supérieurs en cisaillement. En outre, c'est un critère de contrainte critique qui caractérise l'apparitions des instabilités viscoélastiques quelle que soit la pression moyenne.
Dans la deuxième partie de cette thèse, trois copolymères de la famille des SEBS montrant une séparation de phase aux échelles nanoscopiques ont été considérés. L'étude des défauts macroscopiques d'extrusion, et de la propagation de fissures surfaciques, de ces copolymères à blocs a permis d'identifier l'origine du défaut dit de « refente d'extrudat » ainsi qu'un nouveau régime d'extrusion : le « pelage continu ». Ces défauts ont été mis en relation avec la structure mésoscopique par des essais de diffusion de rayons-X aux petits angles.