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1 - CRISTALLISATION DES POLYMÈRES

2 - INFLUENCE DES CONDITIONS DE MISE EN FORME SUR LA CRISTALLISATION

3 - PHÉNOMÈNES D’ORIENTATION

4 - MODÉLISATION DU DÉVELOPPEMENT DE STRUCTURES

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE – DÉFINITIONS

Article de référence | Réf : AM3120 v1

Modélisation du développement de structures
Développement de structures dans les polymères - Concepts généraux

Auteur(s) : Jean-Marc HAUDIN

Relu et validé le 01 oct. 2020

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RÉSUMÉ

Après quelques rappels sur la cristallisation des polymères, les effets des paramètres de mise en forme (mécaniques, thermiques, géométriques) sur les phénomènes de cristallisation (germination, croissance, cinétique globale, développement des morphologies) sont d'abord discutés de façon générale. Les principales méthodes de caractérisation de l'orientation due à la mise en forme sont ensuite décrites. Les principes de la modélisation du développement de structures sont enfin exposés, avec les lois utilisées pour décrire la cinétique globale de cristallisation.

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ABSTRACT

Structure development in polymers General concepts

After a brief review of polymer crystallization, this article analyzes how crystallization is modified by polymer processing. The main methods for characterizing orientation induced by processing are then described. The principles of the modeling of structure development are lastly presented, together with the laws of overall crystallization kinetics used in simulations.

Auteur(s)

  • Jean-Marc HAUDIN : Ingénieur civil des Mines - Docteur ès sciences - Professeur à MINES ParisTech

INTRODUCTION

La mise en forme confère aux matériaux polymères une structure qui peut se décliner de l’échelle nanométrique à l’échelle macroscopique, et conditionne les propriétés finales des produits. Cette structure a été traditionnellement qualifiée de « microstructure » car, à l’origine, les observations pertinentes se situaient généralement entre un micromètre et quelques centaines de micromètres, c’est-à-dire dans la gamme d’utilisation du microscope optique. De nos jours, les systèmes polymères sont souvent complexes. Outre les polymères seuls, on est amené à transformer des mélanges de polymères, des polymères chargés ou renforcés, synthétiques ou biosourcés. Dans ce cas, la description des structures comporte la morphologie et la répartition des phases dans les mélanges, ou encore la distribution ou l’orientation des charges et des renforts. Ces aspects, qui ont fait l’objet d’une littérature abondante, ne sont pas abordés ici.

Cet article se limite au développement de structures dans les polymères semi-cristallins. Parmi les phénomènes se produisant lors de la transition de l’état liquide à l’état solide, la cristallisation joue un rôle majeur. Lors de la mise en forme, elle se produit généralement sous l’effet de conditions complexes, hétérogènes et couplées : mécaniques (écoulement, pression), thermiques (vitesses de refroidissement, gradients thermiques) et géométriques (surfaces libres, contact avec les outils). La simulation numérique est un outil efficace pour interpréter et prédire ces phénomènes couplés. Elle passe par l’introduction d’une loi de cristallisation dans un modèle thermomécanique du procédé.

Ces concepts généraux de développement de structures sont illustrés par des applications dans l’article suivant [AM3121].

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KEYWORDS

crystallization   |   nucleation   |   growth   |   morphology

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-am3120


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4. Modélisation du développement de structures

4.1 Cadre général

Le couplage entre un modèle thermomécanique du procédé considéré et la cinétique globale de cristallisation du polymère utilisé est généralement réalisé par l’introduction dans l’équation de la chaleur d’un terme de source, qui rend compte de la chaleur dégagée par la cristallisation :

( 26 )

avec :

T (K)
 : 
température,
t (s)
 : 
temps,
ρ (kg.m-3)
 : 
masse volumique,
c (J.kg-1.K-1)
 : 
capacité thermique massique,
k (W.m-1.K-1)
 : 
conductivité thermique,
(W.m–3)
 : 
terme de dissipation visqueuse,
ΔH (J.kg-1)
 : 
chaleur ou enthalpie totale de cristallisation par unité de masse (cf. § 2.3),
α(t)
 : 
loi de cinétique globale de cristallisation.

Les lois cinétiques utilisées, qui sont détaillées dans la référence ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KRESSLER (J.) -   Gamma-phase of isotactic polypropylene  -  in Polypropylene : An A-Z Reference, Karger-Kocsis (J.) (Ed.), Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Pays Bas (1999).

  • (2) - AVRAMI (M.) -   Kinetics of Phase Change. II. Transformation-Time Relations for Random Distribution of Nuclei  -  . J. Chem. Phys., 8, p. 212-224 (1940).

  • (3) - EVANS (U.R.) -   The Laws of Expanding Circles and Spheres in Relation to the Lateral Growth of Surface Films and the Grain-Size of Metals  -  . Trans. Faraday Soc., 41, p. 365-375 (1945).

  • (4) - TRIBOUT (C.), MONASSE (B.), HAUDIN (J.M.) -   Experimental Study of Shear-Induced Crystallization of an Impact Polypropylene Copolymer  -  . Colloid Polym. Sci., 274, p. 197-208 (1996).

  • (5) - MONASSE (B.) -   Nucleation and Anisotropic Crystalline Growth of Polyethylene under Shear.  -  J. Mater. Sci., 30, p. 5002-5012 (1995).

  • ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Logiciels

Rem3D® http://www.transvalor.com/fr/

Autodesk®Simulation Moldflow® http://www.autodesk.fr/products/simulation-moldflow/

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2 Évènements

La Polymer Processing Society (PPS) organise chaque année deux conférences : une internationale et une régionale dans une zone géographique différente de celle de la conférence internationale. Les trois zones géographiques concernées sont : Asie/Australie, Amériques et Europe Afrique. http://psfebus.allenpress.com/eBusPOPR/

La Society of Plastics Engineers (SPE) organise une « Annual Technical Conference » ou ANTEC®. http://www.4spe.org/

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3 Annuaire

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Sociétés savantes

ESAFORM European Scientific Association for Material Forming http://esaform.utcluj.ro/

GFP Groupe Français d’Études et d’Applications des Polymères http://www.gfp.asso.fr/

PPS Polymer Processing...

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