Influence des conditions opératoires sur la formation de nanocomposites de polypropylène en extrusion bivis corotative

National audienceDes nanocomposites polypropylène/argile organophile ont été préparés par mélange à l'état fondu à l'aide d'une extrudeuse bivis co-rotative. Un polypropylène fonctionnalisé anhydride maléique (PP-g-MA) a été utilisé comme compatibilisant afin d'améliorer la qualité de la dispersion. L'objectif de cette étude est d'examiner les effets des conditions opératoires ainsi que du profil des vis. Le degré de dispersion a été caractérisé par la diffraction des rayons X (XRD), la microscopie électronique en transmission (MET) et des mesures rhéologiques en régime dynamique. Les résultats obtenus par XRD ont montré que l'état d'intercalation est globalement indépendant des conditions d'extrusion. Cependant, l'exfoliation, estimée par les mesures rhéologiques en petites déformations, dépend des conditions de mélange. Nous montrons que, pour un profil de vis donné, l'effet des conditions d'extrusion (débit Q et vitesse de rotation N) sur l'état de dispersion peut être relié au rapport Q/N. Les essais de démontage révèlent qu'il y a une relation entre l'état de dispersion le long de la vis et la déformation cumulée subie par les matériaux lors de leur mise en oeuvre

Etude de la réalisation de nanocomposites polypropylène/argile

National audiencePolypropylene/organoclay nanocomposites have been prepared via direct melt intercalation in an internal mixer. The maleic anhydride grafted polypropylene (PP-g-MA) was used as a compatibilizer to improve the dispersibility of the clay. The structures of nanocomposites have been characterized by X-ray diffraction, transmission electron microscopy as well as melt rheology. The effect of concentration of PP-g-MA and processing parameters was investigated. It is found that the degree of dispersion depends on both concentration and processing conditions. Optimizing the process conditions can minimize the necessary amount of PP-g-MA. The study of linear viscoelastic properties show that the storage modulus G' is sensitive to the microstructure of nanocomposites. In some cases, rheometry is more sensitive than X-ray diffraction measurements = Des nanocomposites polypropylène/argile modifiée ont été préparés par mélange à l'état fondu à l'aide d'un mélangeur interne. Un polypropylène fonctionnalisé anhydride maléique (PP-g-MA) a été utilisé comme compatibilisant afin d'améliorer la qualité de la dispersion. Le degré de dispersion a été caractérisé par la diffraction des rayons X, la microscopie électronique en transmission et les mesures rhéologiques en régime dynamique. L'effet de la concentration de PP-g-MA et des conditions opératoires a été examiné. On montre que le degré de dispersion dépend à la fois de la concentration en PP-g-MA et des conditions de malaxage. La concentration de PP-g-MA peut être minimisée par l'optimisation des conditions de mise en oeuvre. Les mesures rhéologiques montrent que les modules G' sont très sensibles au niveau de dispersion. Dans certains cas, ces mesures sont beaucoup plus sensibles que celles de la diffraction des rayons X

Influence de la dispersion sur le comportement rhéologique de nanocomposites polypropylène/argile

National audienceDes nanocomposites polypropylène/argile modifiée ont été préparés par mélange à l'état fondu à l'aide d'un mélangeur interne. Un polypropylène fonctionnalisé anhydride maléique (PP-g-MA) a été utilisé comme compatibilisant afin d'améliorer la qualité de la dispersion. Le degré de dispersion a été caractérisé par la diffraction des rayons X, la microscopie électronique en transmission et les mesures rhéologiques en régime dynamique. L'effet de la concentration de PP-g-MA et des conditions opératoires a été examiné. On montre que le degré de dispersion dépend à la fois de la concentration en PP-g-MA et des conditions de malaxage. Les mesures rhéologiques montrent que les modules G' sont très sensibles au niveau de dispersion. Une loi de Carreau-Yasuda à seuil, dont les paramètres dépendent de l'état de dispersion, est proposée pour décrire le comportement de ces matériaux

Caractéristique rhéologique de nanocomposites polypropylène/argile en régime transitoire

National audienceDans cette étude, nous nous intéressons au comportement rhéologique en régime transitoire de mélanges polypropylène/argile organophile. Les mélanges ont été préparés à l'état fondu, à l'aide d'un mélangeur interne et d'une extrudeuse bivis co-rotative. L'évolution du comportement rhéologique lors du démarrage a été étudiée en cisaillement simple aller-retour sur un rhéomètre à géométrie plan-plan. On observe un pic de contrainte au démarrage, ainsi qu'un effet de restructuration, qui se traduit par l'augmentation de l'amplitude du pic après un temps de repos. Le pic observé est différent suivant la morphologie des nanocomposites, notamment le niveau d'exfoliation. Deux modèles, basés sur deux phénomènes physiques différents, ont été étudiés. Le premier est un modèle thixotrope qui relie les propriétés rhéologiques aux mécanismes de création et de rupture des flocs. Le deuxième est un modèle généralement utilisé pour décrire le comportement rhéologique des polymère chargés de fibres courtes. Le modèle thixotrope prédit assez bien l'amplitude du pic de contrainte en fonction du temps de repos. Cependant, l'évolution de la contrainte au démarrage est moins bien modélisée. Le modèle de suspensions de fibres décrit mieux l'évolution de cette dernière, mais ne prend pas en compte l'effet de restructuration observé

Near IR spectroscopy for the characterization of dispersion in polymer-clay nanocomposites

© 2015 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Since their potential has become widely recognized, one of the major research lines on polymer-clay nanocomposites has focused on the preparation of well-dispersed systems. Currently, there is an understanding that a high degree of dispersion, particularly exfoliation, of the nanoclay is required to improve the overall performance. Twin screw extrusion not only allows for control of the main variables (shear, stress and time), but also, due to the typical modular construction, offers a high degree of freedom in creating the adequate screw design and enables knowledgeable alteration of the barrel. These features offer a solid basis for the development and implementation of apt in-line/on-line monitoring techniques, able to follow up the evolution of dispersion of polymer-clay nanocomposites during processing. This chapter includs the validation, implementation, and application of a methodology based on inline near-infrared (NIR) spectroscopy for the characterization of the dispersion along the extruder axis. Overall, the results obtained confirm that NIR is a valid tool for the on-line characterization of these materials, offering the possibility of assessing in real time the clay dispersion, enabling proper corrective and/or optimization actions over the material characteristics in a timely manner.(undefined

Investigation on the competing effects of clay dispersion and matrix plasticisation for polypropylene/clay nanocomposites. Part II: Crystalline structure and thermo-mechanical behaviour

In view of the structure–property relationship, the mechanical property enhancement of polypropylene (PP)/clay nanocomposites can also be associated with the alterations of their crystalline structures and behaviour in addition to the general interpretation of intercalation/exfoliation level and uniform dispersion of more rigid clay platelets with higher aspect ratios in the PP matrix. Wide-angle X-ray diffraction (WAXD) was utilised to evaluate the effects of clay content, maleated PP (MAPP) content (MAPP as the compatibiliser) on PP crystalline structures of nanocomposites. Furthermore, the melting and crystallisation behaviour of PP/clay nanocomposites was also investigated by conducting differential scanning calorimetry (DSC). The thermo-mechanical properties were characterised via dynamic mechanical thermal analysis (DMTA). It is observed that enhancement of mechanical properties are mainly affected by the preferred orientation of PP crystals, the growth of α-PP phase and effective nucleating agent role of additional clay while the excessive amount of MAPP becomes detrimental to these crucial aspects, which is also evidently revealed in DMTA measurements

Réalisation de nanocomposites polypropylène / argile par extrusion bivis

The aim of this work is the study of the formation of polypropylene (PP)/organoclay (org-MMT) nanocomposites via direct melt intercalation process. It has been focused on three main subjects: the effect of PP-g-MAs compatibilizers, the effect of twin screw extrusion processing, as well as the rheological behavior of nanocomposites in transient shear flow. The importance of PP-g-MA compatibilizers, especially the PP-g-MA loading in the system PP/PP-g-MA/org-MMT, has been studied. A Carreau-Yasuda rheological model with a yield stress is proposed to characterize quantitatively the state of dispersion through the value of melt yield stress. In twin screw extrusion process, the state of dispersion is depending on the operating conditions (screw speed N and feed rate Q). In fact, it depends on the ratio Q/N. Investigation of the morphology changes along the screws reveals that the essential exfoliation has been achieved in the melting zone. It seems to be the step governing the dispersion of organoclays in the twin screw extrusion process. The relationships between processing conditions and the state of dispersion are also investigated, using the software Ludovic©. Finally, the transient rheological behaviour of nanocomposites has been studied. A stress overshoot in shear flow is observed, followed by a structure reorganization after a rest time. Two models, initially developed for colloidal suspensions and fiber suspensions, have been used to describe the observed phenomena.Ce travail a pour objectif l'étude de la réalisation de nanocomposites polypropylène (PP)/argile organophile (org-MMT) par mélange à l'état fondu. Il s'est articulé autour de trois thèmes principaux, qui sont l'effet des compatibilisants de type PP-g-MA et l'influence du procédé d'extrusion bivis sur l'état de dispersion, ainsi que le comportement rhéologique des nanocomposites en régime transitoire. L'importance des compatibilisants (PP-g-MA), et notamment leur concentration dans le système PP/PP-g-MA/org-MMT, a été mise en évidence. Un modèle rhéologique simple (loi de Carreau-Yasuda à seuil), a été proposé pour caractériser quantitativement le degré de dispersion à travers la valeur du seuil d'écoulement. En extrusion bivis, l'état de dispersion dépend fortement des conditions opératoires (vitesse de rotation N et débit Q), principalement du rapport Q/N. Des prélèvements locaux le long des vis ont révélé que l'essentiel de l'exfoliation s'est effectué lors de la fusion. Cette dernière apparaît comme l'étape gouvernant le processus de dispersion en extrusion bivis. Les relations entre le procédé et l'état de dispersion ont également été étudiées à l'aide du logiciel Ludovic©. Enfin, le comportement rhéologique des nanocomposites en régime transitoire a été étudié. On observe un pic de contrainte au démarrage, ainsi qu'un effet de restructuration après un temps de repos. Deux modèles théoriques développés initialement pour des suspensions colloïdales et des suspensions de fibres ont été utilisés pour décrire les phénomènes observés

Influence of screw profile and extrusion conditions on the microstructure of polypropylene/organoclay nanocomposites

International audienceDirect melt mixing in a twin screw extruder is a simple and classical technique for preparing nanocomposites by dispersing organoclay in a thermoplastic matrix. In this paper, we focus on organoclay/polypropylene nanocomposites, using maleated polypropylene as compatibilizer. The objective of the work is to characterize the influence of screw profile and processing conditions on the microstructure of the nanocomposite (intercalation and exfoliation). Different screw profiles, more or less severe in terms of mixing elements, have been investigated. For each profile, different processing conditions (feed rate, screw speed) have been tested. Samples were collected both at die exit and all along the screw profiles and analyzed (X-ray diffraction and rheometry). Numerical simulations have been performed to quantify the thermomechanical treatment experienced by the material inside the extruder. For all profiles and operating conditions, a mixed intercalated/exfoliated structure has been observed. Exfoliation increases linearly with the ratio of screw speed to feed rate, but is more important for the less severe profile. Except at low feed rate, intercalation and exfoliation do not change a lot along the screw profile. In many cases, the final microstructure is already obtained after the melting zone of the extruder

Influence of compatibilizer and processing conditions on the dispersion of nanoclay in a polypropylene matrix

International audiencePolypropylene/organoclay nanocomposites have been prepared via direct melt intercalation in an internal mixer. Maleic anhydride grafted polypropylene (PP-g-MA) was used as a compatibilizer to improve the dispersability of the clay. The structures of nanocomposites have been characterized by X-ray diffraction, transmission electron microscopy and rheometry in small amplitude oscillatory shear. The effects of concentration of PP-g-MA and processing parameters were investigated. Wide angle X-ray diffraction shows that the interlayer spacing increases with the concentration of PP-g-MA, but is not significantly influenced by processing conditions. The study of linear viscoelastic properties shows that the storage modulus G′ is very sensitive to the microstructure of the nanocomposite. A Carreau-Yasuda law with a yield stress is proposed to describe the rheological behavior of these materials. Applications to the twin screw extrusion process are also presente

Impact of Processing Conditions on the Morphology, Structure and Properties of Polymer-Organoclay Nanocomposites

International audienc