Étude par spectroscopie Raman du polypropylène isotactique au cours de sa déformation uniaxiale - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

Study of the uniaxial deformation of istactic polypropylene by Raman spectroscopy

Étude par spectroscopie Raman du polypropylène isotactique au cours de sa déformation uniaxiale

Julien Martin

Résumé

In this study, we propose to use Raman spectroscopy as a fast and non-destructive optical method for the microstructural characterization of polymeric materials. The objective of the work is to provide a set of Raman spectral signatures, in the mid-frequency range (150 to 3000 cm-1), suitable for monitoring the crystallinity, macromolecular orientation and volume damage of isotactic polypropylene subjected to a uniaxial tensile mechanical stress. The relevance of the spectral signatures implies the implementation of correlations with other proven experimental techniques such as optical and electron microscopies, calorimetry and X-ray diffraction. The first part of the study deals with the research and validation of these spectral signatures. In particular, the influence of crystallinity on Raman scattering is experimentally investigated through in-situ monitoring of the melting and crystallization of polypropylene. We derive mainly the Raman scattering bands attributed to the amorphous ( = 835 cm-1) and crystalline ( = 809, 841, 973 and 998 cm-1) phase. From these measurements we define a spectral criterion, Rc, able to follow the evolution of the crystallinity rate with the deformation of isotactic polypropylene. Moreover, we show that in a particular polarization configuration, some Raman scattering bands are affected by the orientation of the macromolecules of the crystalline ( = 973 and 998 cm-1) and amorphous ( = 835 cm-1) phase. We deduce two Raman criteria, Rorient,c and Rorient,am, respectively able to describe the orientation of the chains of the crystalline and amorphous phase of polypropylene. Finally, we show that the Raman intensity is sensitive to the density of the probed material and we use this property in the form of the spectral criterion Rcav to determine the volume deformation of polypropylene induced by the cavitation damage process. The second part of the study is based on all these spectral signatures in order to follow in real time the deformation of polypropylene. For this purpose, we use an experimental device coupling the VideoTractionTM deformation control system and a portable Raman spectrometer. The results allow us to have, with a minimum of mechanical tests, a global view of the mechanisms of uniaxial deformation of isotactic polypropylene, from viscoelastic deformation through plastic deformation to the structural hardening stage.
Dans cette étude, on se propose d’utiliser la spectroscopie Raman comme une méthode optique rapide et non-destructive pour la caractérisation microstructurale des matériaux polymères. L’objectif du travail est de fournir un ensemble de signatures spectrales Raman, dans le domaine des moyennes fréquences (150 à 3000 cm-1), adaptée au suivi de la cristallinité, de l’orientation macromoléculaire et de l’endommagement volumique du polypropylène isotactique soumis à une sollicitation mécanique de traction uniaxiale. La pertinence des signatures spectrales sous-entend la mise en œuvre de corrélations avec d’autres techniques expérimentales éprouvées telles que les microscopies optique et électronique, la calorimétrie et la diffraction des rayons X. La première partie de l’étude porte sur la recherche et la validation de ces signatures spectrales. En particulier, l’influence de la cristallinité sur la diffusion Raman est menée expérimentalement par le suivi in-situ de la fusion et de la cristallisation du polypropylène. Nous en dégageons principalement les bandes de diffusion Raman attribuées à la phase amorphe ( = 835 cm-1) et cristalline ( = 809, 841, 973 et 998 cm-1). A partir de ces mesures nous définissons un critère spectral, Rc, susceptible de suivre l’évolution du taux de cristallinité avec la déformation du polypropylène isotactique. De plus nous montrons que dans une configuration de polarisation particulière, certaines bandes de diffusion Raman sont affectées par l’orientation des macromolécules de la phase cristalline ( = 973 et 998 cm-1) et amorphe ( = 835 cm-1). Nous en déduisons deux critères Raman, Rorient,c et Rorient,am, respectivement aptes à décrire l’orientation des chaînes de la phase cristalline et amorphe du polypropylène. Enfin, nous montrons que l’intensité Raman est sensible à la densité de matière sondée et nous utilisons cette propriété sous la forme du critère spectral Rcav pour déterminer la déformation volumique du polypropylène induite par le processus d’endommagement par cavitation. La seconde partie de l’étude s’appuie sur l’ensemble de ces signatures spectrales afin de suivre en temps réel la déformation du polypropylène. Pour cela nous utilisons un dispositif expérimental couplant le système de pilotage de la déformation VidéoTractionTM et un spectromètre Raman portatif. Les résultats permettent d’avoir avec un minimum d’essais mécaniques, une vue globale des mécanismes de la déformation uniaxiale du polypropylène isotactique, de la déformation viscoélastique au stade du durcissement structural en passant par la déformation plastique.
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tel-01752644 , version 2 (29-03-2018)
tel-01752644 , version 1 (12-04-2023)

Licence

Paternité

Identifiants

Citer

Julien Martin. Étude par spectroscopie Raman du polypropylène isotactique au cours de sa déformation uniaxiale. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Université Paul Verlaine de Metz, 2009. Français. ⟨NNT : 2009METZ021S⟩. ⟨tel-01752644v1⟩
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