Fundamental Insights into filled Multi-micro/nanolayer Polymeric Systems: Rheology, Nanofiller Dynamics, Conductivity, and EMI Shielding

Doctorant : Jixiang LI

Laboratoire INSA : IMP - Ingénierie des Matériaux Polymères

École doctorale : ED n°34 ML - Matériaux

Les systèmes polymères intégrant des nanofillers ont suscité l'intérêt des chercheurs depuis des décennies. Les rapports portant sur les impacts des nanofillers sur les propriétés des nanocomposites peuvent être variés et abondants. Cependant, des études plus approfondies se concentrant sur les comportements des nanofillers sous différentes conditions d’écoulement à l’intérieur des polymères restent limitées. Dans cette thèse, des connaissances fondamentales sur les comportements des nanofillers dans des systèmes polymères ayant des structures différentes ont été étudiées. Plus précisément, cette thèse a débuté par l’étude des comportements distincts des nanotubes de carbone multi-parois (MWCNTs), un nanofiller de carbone fonctionnel largement utilisé, dans des polypropylènes avec des structures de chaînes polymères différentes. L’un est un polypropylène à chaîne linéaire (PPC) et l’autre est un polypropylène à chaîne longue ramifiée (LCB). Nous avons mis en évidence les mobilités restreintes des MWCNTs dans le PPH par rapport au PPC en raison de la structure LCB, en imposant un écoulement de cisaillement aux systèmes nanocomposites. La réponse du réseau de MWCNTs, reflétée par des mesures rhéologiques et de conductivité, a confirmé notre hypothèse. Sur la base de ces observations, un nanocomposite polymère à structure en couches a été conçu avec des couches alternées de PPC/MWCNTs et de PPH pur. Il est surprenant de constater que, lors de l’extrusion forcée par coassemblage, une méthode très efficace pour fabriquer des systèmes polymères multicouches, les MWCNTs pouvaient être mieux alignés dans la direction du flux d’extrusion, surtout lorsque le nombre de couches augmentait jusqu’à un certain point. Ce type d’orientation a ensuite été confirmé par des études de rhéologie en extension et de microstructures. Il convient de noter que la mobilité restreinte des MWCNTs par la couche PPH est probablement le facteur clé influençant l’orientation. En revanche, peu d’indices d’orientation des MWCNTs à l’intérieur de systèmes multicouches composés uniquement d’un polymère (LLDPE dans cette thèse) et de MWCNTs, également fabriqués par extrusion forcée, ont été détectés. Les systèmes multicouches électriquement conducteurs se sont révélés être d’excellents matériaux de blindage EMI. Dans cette thèse, les films polymères multicouches nanocomposites conçus ont été testés pour évaluer leur aptitude à être utilisés pour le blindage EMI. Les résultats ont montré que la structure en couches mieux uniformisée et une épaisseur de couche adaptée sont deux points cruciaux influençant les propriétés de blindage EMI. Les découvertes de cette thèse visent à fournir une meilleure compréhension des comportements des nanofillers dans les matrices polymères dans diverses conditions en termes de rhéologie non linéaire, de conductivité et d’autres propriétés physiques. Sur cette base, certaines relations structure-propriété ont été établies. Espérons que cette thèse contribuera à la modélisation rhéologique et à la conception de structures de matériaux fonctionnels à l’avenir.

Mécanismes de Cristallisation, Déformation et Cicatrisation aux Interfaces dans le PEEK Amorphe et Semi-cristallin : Analyses Microstructurales, Rhéologiques et Mécaniques

Doctorant : Morgane LE BOT

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : IMP - Ingénierie des Matériaux Polymères

Le PEEK (poly éther éther cétone) est un polymère thermoplastique semi-cristallin haute performance qui est de plus en plus utilisé dans l'industrie. Grâce à ses excellentes propriétés mécaniques et à ses températures de transition élevées, il constitue un candidat idéal pour les matériaux de structure. Cependant, les origines de ses remarquables performances mécaniques, notamment sa grande ténacité, restent encore partiellement comprises. En outre, les procédés de mise en œuvre peuvent introduire des interfaces qui réduisent les performances mécaniques du produit final par rapport au matériau en volume. Cette thèse vise à approfondir la compréhension fondamentale du PEEK en étudiant ses mécanismes de déformation, son comportement en cristallisation et ses processus de cicatrisation aux interfaces. La dégradation thermique et l’effacement de l’histoire thermique ont été étudiés à l’aide de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC), de la rhéologie et de la chromatographie par perméation de gel (GPC), afin de déterminer des conditions de travail optimales garantissant que ni la cristallisation ni la mobilité des chaînes ne soient affectées pendant les mesures. L’étude du comportement de cristallisation isotherme par DSC a souligné l’importance de la cristallisation secondaire dans le PEEK. De plus, l’analyse a révélé des mécanismes distincts gouvernant la cristallisation à froid et la cristallisation à partir de l’état fondu. Les analyses rhéologiques ont complété les résultats obtenus par DSC, permettant d’explorer les premières étapes de la cristallisation, où la sensibilité de la DSC est limitée. Ces analyses ont montré que des mécanismes de cristallisation identiques sont impliqués tant au début qu’au milieu du processus de cristallisation. Les mécanismes de déformation du PEEK ont été explorés en comparant le comportement en traction d’échantillons semi-cristallins et amorphes, afin de clarifier les rôles respectifs des phases amorphes et cristallines. L’utilisation de films a permis d’accéder au régime de durcissement dans les deux matériaux et d’observer directement la formation de bandes de cisaillement et la propagation du col de striction. Les changements de microstructure pendant la déformation ont été analysés par diffraction des rayons X (DRX). Le processus de cicatrisation aux interfaces pendant la cristallisation isotherme a été suivi par des expériences rhéologiques sur des échantillons bi-couche ayant différents taux de cristallinité initiaux. Cette étude visait à comprendre les rôles respectifs des deux mécanismes concurrents gouvernant la cicatrisation des interfaces : la cristallisation et la mobilité des chaînes.

 

Mise en forme de polymères multi-micro-nanocouches par un procédé innovant de coextrusion gonflage/ matériaux aux propriétés barrières et optiques améliorées, éco-conçus pour une meilleure recyclabilité

Doctorant : Lazaros VOZIKIS

Laboratoire INSA : IMP - Ingénierie des Matériaux Polymères

École doctorale : ED34 - Matériaux

Ce travail de recherche a été mené dans le cadre du projet Thèse CIFRE en collaboration avec le CT-IPC. Le projet se concentre sur le développement et la validation d'une technologie innovante de filière gonflage qui comble une lacune critique dans la littérature. Bien qu'il existe déjà un grand nombre de recherches sur la coextrusion à plat, la coextrusion gonflage reste sous-explorée. Obtenir des épaisseurs de couche de l'échelle micro au nano, tout en maintenant l'intégrité des couches, s'est avéré particulièrement difficile. L'objectif de ce travail est la conception d'une filière de coextrusion gonflage capable de produire des films, avec des propriétés barrières et optiques améliorées, tout en améliorant leur recyclabilité, ce qui présente un défi majeur dans le domaine des matériaux d'emballage. Contrairement aux systèmes conventionnels, la nouvelle filière développée dans ce travail permet la création de films à un nombre de couches élevé, garantissant l'intégrité des couches même à l'échelle micro-nano. Une autre avancée de cette filière est sa capacité à augmenter le nombre de couches sans prolonger le temps de séjour dans le procède car elle ne nécessite pas l'addition d'un élément multiplicateur supplémentaire. Le risque de dégradation thermique peut ainsi être minimisé. La nouvelle technologie de filière peut facilement être combinée avec les configurations de coextrusion à plat, ce qui la rend très polyvalente. Ces innovations permettent non seulement la production de films avec des centaines ou milliers de couches, mais améliorent également la stabilité du processus. Un élément clé de cette étude a consisté à démontrer qu'en utilisant la coextrusion à assemblage forcé avec la nouvelle filière de gonflage, les performances barrière des films multicouches pouvaient être considérablement améliorées sans augmenter la quantité d'éthylène-alcool vinylique (EVOH). Bien que cette stratégie ait été largement étudiée et validée dans les procédés de coextrusion à plat, son application à la coextrusion gonflage est limitée. De plus, le besoin des liants pour assurer l'adhésion entre les couches est éliminé, ce qui améliore encore la recyclabilité des films. Ceci est particulièrement important pour l'économie circulaire, car cela simplifie le processus de recyclage en réduisant la complexité des matériaux. Cette recherche a également abordé la question critique de la stabilité du processus en développant des cartes de stabilité et en effectuant des analyses rhéologiques approfondies. Les premières étapes ont consisté à évaluer la stabilité de l'écoulement par coextrusion à plat, où les défis sont souvent aggravés lors de la coextrusion de polymères ayant des propriétés rhéologiques différentes. Après l'évaluation de la fenêtre de processabilité par coextrusion à plat, la présente étude fournit une analyse complète des paramètres requis pour assurer la stabilité lors de la coextrusion gonflage. Les paramètres critiques tels que le taux de gonflage (BUR) et le taux de tirage (TUR) jouent un rôle crucial dans l'obtention de films multicouches stables et sans défaut. Des cartes de stabilité ont été développées pour définir la processabilité et, en association avec l'analyse rhéologique, des fenêtres de processabilité optimales ont été déterminées. En résumé, cette thèse présente une étude approfondie de la conception, du développement et d'élaboration des films multicouches par une nouvelle technologie de filière gonflage. La capacité de produire des couches à l'échelle micro-nano avec une stabilité améliorée, des propriétés barrières et optiques améliorées et une meilleure recyclabilité représente une avancée significative dans la technologie des films multicouches. En se concentrant sur la réduction des coûts des matériaux et l'amélioration de la recyclabilité, le présent travail ouvre la voie à des matériaux d'emballage de nouvelle génération plus efficaces et plus respectueux de l'environnement.

Valorisation de polymères d'origine naturelle et synthétiques : vers la conception de matériaux et de dérivés fonctionnels par des voies de modifications chimiques soutenables et/ou par le contrôle des interactions

Maître de conférences : Aurélia Charlot

Laboratoire INSA :  IMP

Rapporteurs :

• Pr. Catherine Amiel, Université Paris-Est (ICMPE)
• Pr. Yves Grohens, Univeristé Bretagne Sud (IRDL)
• Pr. Didier Lecerf, Université Rouen-Normandie (PBS)

Jury :

• Pr. Catherine Amiel, Université Paris-Est (ICMPE)
• Pr. Yves Grohens, Univeristé Bretagne Sud (IRDL)
• Pr. Didier Lecerf, Université Rouen-Normandie (PBS)
• Pr. Jannick Duchet-Rumeau, INSA Lyon (IMP)
• Pr. Etienne Fleury, INSA Lyon (IMP)
• Dr. Véronique Bounor-Legaré, Univ Lyon, (IMP)

 

La plateforme lyonnaise de chromatographie liquide des polymères, portée par les laboratoires IMP et CP2M, organise une journée dédiée à la chromatographie d'exclusion stérique (SEC) et ses applications pour la caractérisation des polymères synthétiques et naturels.

Cette manifestation scientifique a pour but de rassembler des académiques et des industriels autour de cette thématique par le biais de conférences.

Elle sera complétée par une demie journée de formation sur la « SEC appliquée à la caractérisation de polymères » à destination des doctorants des Écoles Doctorales « Matériaux », « Chimie », et « Sciences Ingénierie Santé », le vendredi 7 octobre 2022 dont le programme sera :

10h00 - 11h30 : Principe de la SEC, principaux détecteurs couplés à la SEC, intérêts pour la caractérisation des polymères, quelques aspects pratiques. Intervenantes : Marion COLELLA (IMP), Caroline PILLON (IMP)
 11h30 - 12h00 : Table ronde - Temps de discussion entre les participant/e/s et l'équipe organisatrice de MacroSEC 2022. Intervenant/e/s : Olivier BOYRON (CP2M), Marion COLELLA (IMP), Agnès CRÉPET (IMP), Catherine LADAVIÈRE (IMP), Caroline PILLON (IMP), Manel TAAM (CP2M).
Le contact pour s’inscrire à cette demie journée de formation est : odile.brasier@univ-lyon1.fr
 

Conférence dans le cadre du cycle "Pour le Développement des Sciences et de l'Innovation (PDSI) au service des Transitions"

Avec l'intervention de :

• Jean-François Gerard, professeur à l'INSA Lyon et directeur adjoint de l'Institut de Chimie du CNRS
• Alain Marty, directeur scientifique de la société CARBIOS

Les "plastiques" sont partout dans notre quotidien et il est bien difficile de nous en passer. Quelles sont les évolutions en cours au regard de leurs spécificités, des usages et des enjeux industriels et économiques ?

+d'infos => https://bit.ly/33v7q5H

Gratuit sur inscription

Poursuivre et pérenniser les échanges autour de la polymérisation sous rayonnement.

Au programme : 

• La polymérisation sous rayonnement UV-Visible et haute énergie (plasma, e-beam, γ, RX, Switch Heavy Ions…)
• Les procédés, notamment les technologies LED et la fabrication additive
• Les matériaux et les relations structures-propriétés-applications.

Nouveauté ! PolyRay 2020 propose de participer à un short-course (programme pédagogique destiné aux ingénieurs, techniciens, doctorants et chercheurs) avant le démarrage du colloque.

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Le colloque PolyRay 2020 sera organisé conjointement par l’Association PolyRay, le Laboratoire d’Ingénierie des Matériaux Polymères (IMP) de l’INSA Lyon et les sociétés Elkem et Ionisos, en partenariat avec le GFP à l’occasion de ‘2020 : Une année ‘Polymère’ et le GFP 50 ans’.

Fabrication Additive : les facteurs clés de succès pour la production série de pièces polymères

Depuis le dernier colloque de 2016, les matériaux et technologies ont rapidement évolué, à l'instar de la production des pièces imprimées métal, ce qui permet d'envisager la fabrication en série de pièces polymères pour diverses applications : transports, médical , habitat, sports et loirs, et autres applications industrielles. Cette rencontre d'industriels et d'académiques sera l'occasion de mesurer les progrès accomplis dans le secteur de la fabrication additive et de faire un premier état des lieux de la production série de pièces polymères.

Y participeront entre autres AddUp, Clariant, HP, INSA Lyon, Mecastyle, MinesParisTech, Groupe PSA, Solvay, Volvo Group...

Une exposition se tiendra en parallèle du congrès pendant les deux jours.

• Contact : chantal.sohm@sfip-plastic.org
• Programme
• Inscription

Dans le cadre de l’appel à projets « IMPUSION 2017 », le comité scientifique du PALSE, Programme Avenir Lyon Saint-Etienne, a sélectionné la candidature de Guilhem Baeza en retenant son projet ouvrant la voie à l’élaboration de nouveaux élastomères hautement recyclables.

La somme de 75 000 euros a ainsi été attribuée à l’équipe de recherche PVMH (Polymères, Verres et Matériaux Hétérogènes) du laboratoire MATEIS pour une durée d’un an à compter du 1er janvier 2017.

3 questions à Guilhem Baeza.

Qu’est-ce que l’appel à projets « IMPULSION 2017 » ?
Chaque année, tous les chercheurs arrivant sur Lyon ou Saint-Etienne et qui n’ont pas passé les 4 dernières années sur ces territoires peuvent répondre à cet appel à projets afin de « booster » leur implantation. C’était mon cas. J’ai été recruté cet été à l’INSA Lyon pour occuper mon premier poste de Maître de Conférences, au département Science et Génie des Matériaux, tout en poursuivant mes recherches au laboratoire MATEIS.

J’ai passé les 6 premiers mois de l’année 2016 à l’Université de Leeds, en post-doc, sur l’élaboration de polyélectrolytes solides pour les batteries Li-ion. Avant cela, j’avais travaillé deux ans en Crète sur un projet européen mêlant une dizaine de partenaires spécialistes des réseaux supramoléculaires. Ingénieur diplômé du Politecnico de Turin, j’ai poursuivi une thèse CIFRE avec Michelin et l’Université de Montpellier et connaissais bien entendu l’INSA Lyon de réputation.

Pouvez-vous présenter votre projet ?
Mon projet, « Des matériaux polymères nano-architecturés innovants pour une industrie durable », a été spécialement écrit pour répondre à cet appel à projets. Dans ce cadre, je travaillerai sur une famille de matériaux, les élastomères thermoplastiques, ayant des propriétés mécaniques semblables à celles du caoutchouc à température ambiante (flexibilité, stabilité chimique…) mais pouvant être fondus autour de 150°C. Ces caractéristiques offrent une alternative sérieuse aux élastomères dits vulcanisés (infusibles) en terme de recyclage, une problématique qui concerne particulièrement le vaste monde des matériaux « plastiques ».

Ce projet a la particularité de réunir un grand nombre d’acteurs, pour la plupart d’anciens collaborateurs avec qui j’ai eu le plaisir de travailler durant mes expériences de post-doctorat. Ainsi, le groupe industriel néerlandais DSM (Maastricht) fournira les polymères synthétisés à façon. Des partenariats en Grèce (Héraklion) et en Belgique (Louvain-la-Neuve) nous serons aussi très utiles pour caractériser leurs propriétés mécaniques. Nous nous rendrons également en Allemagne (Halle) pour sonder la dynamique moléculaire de ces matériaux par Résonnance Magnétique Nucléaire, me permettant, en outre, de me perfectionner à l’utilisation de cette technique avant de l’importer à MATEIS via l’acquisition d’un spectromètre bas-champ.

Quel regard portez-vous sur ce genre de dispositif mis en place par l’Université de Lyon en direction de la Recherche ?
Je suis très heureux d’avoir eu l’opportunité de postuler et d’avoir été choisi. Je tiens d’ailleurs à remercier Laurent Chazeau (chef d’équipe PVMH) et Jérôme Chevalier (directeur de MATEIS) pour leur soutien. En France, les chercheurs prennent leur poste sans dotation, si ce n’est de quoi s’équiper d’un ordinateur, contrairement à d’autres pays (notamment les Etats-Unis) où le poste s’accompagne d’un budget alloué à la recherche. Grâce à ce programme, j’ai la chance de pouvoir démarrer mes activités dans de très bonnes conditions.

« IMPULSION 2017 » présente aussi l’intérêt d’être tourné vers l’international et d’encourager de facto les partenariats permettant d’élever le niveau des recherches. Travailler dans ce contexte est très enrichissant aussi bien professionnellement que personnellement et j’espère vivement pouvoir développer mon parcours sur ce type de projets multi-approches.