Analyse de la cristallisation du PLA (Acide PolyLactique) sous écoulement : quantification des effets thermique et mécanique

Lors de l’injection de polymères, le cisaillement provoque une orientation macromoléculaire donnant lieu à une cristallisation supplémentaire Nous avons modélisé la cristallisation du PLA sous écoulement dans des conditions anisothermes et dans une configuration de cisaillement pur. Le modèle de cinétique de cristallisation est inspiré de celui développé par Boutaous et al. [1], basé sur une modification des models décrivant la théorie globale de germination-croissance [2, 3]. Tous les paramètres des modèles thermique, rhéologique et de cristallisation ont été identifiés grâce à des mesures spécifiques effectuées au laboratoire. Les résultats montrent que le matériau présente une succession de paliers correspondant à des changements de structure cristalline. Une quantification des effets thermique et de l’écoulement sur les cinétiques de cristallisation ainsi que sur la taille des entités cristallines sera présentée et analysée. Des observations sous lumière polarisée corroborent les résultats numériques. [1] M. Boutaous, P. Bourgin, M.Zinet, J. Non-Newt. Fluid Mech., 127, 227--237 (2010). [2] J.D. Hoffman, R.L. Miller, Polymer, 38, 3151--3212 (1997). [3] W. Schneider, A. Köll and J. Berger, Inter. Poly. Proc., 3, 4, 151-154, (1988

Modélisation de la cristallisation des polymères dans les procédés de plasturgie : quantification des effets thermiques et rhéologiques

En plasturgie, la maîtrise de la régulation thermique des outillages apparaît aujourdhui comme une des composantes essentielles de lamélioration de la productivité des procédés et de la qualité des produits. Sinscrivant dans le contexte du développement doutils numériques dédiés à loptimisation de la « fonction refroidissement » des outillages, ce travail répond à deux besoins. Le premier est la nécessité de disposer dun modèle précis du comportement thermique des polymères semi-cristallins au cours du refroidissement et de linfluence de cette phase sur la microstructure du matériau, conditionnant ses propriétés finales. Un modèle numérique de la cristallisation dun polymère soumis à un écoulement anisotherme est développé. Le 1er invariant du tenseur des extra-contraintes, représentative du comportement rhéologique viscoélastique du matériau, est considérée comme la force motrice dune germination additionnelle sajoutant à la germination induite par la thermique. La croissance de ces germes est décrite par deux systèmes déquations de Schneider. Le modèle est ensuite appliqué la cristallisation dun polypropylène isotactique dans un écoulement de cisaillement (écoulement de Couette). Les effets thermiques et rhéologiques sur la cristallisation sont alors quantifiés en termes daccélération de la cinétique et de répartition morphologique finale (type, densité et tailles moyennes des cristallites). Dautre part, loptimisation des performances thermiques des outillages fait appel à des techniques de mesure du transfert de chaleur précises, fiables et adaptées aux contraintes du procédé, dans le but dalimenter et de valider les simulations numériques. Une technologie innovante dinstrumentation thermique est mise en uvre sur un moule dinjection, sous forme dun insert fluxmétrique, afin dévaluer localement les transferts de chaleur entre le polymère et loutillage. Linfluence des conditions dinjection sur la réponse du capteur est analysée. Les « signatures thermiques » du procédé ainsi obtenues permettent de valider un modèle simplifié des transferts thermiques lors de la phase de refroidissement

Modélisation de la cristallisation des polymères dans les procédés de plasturgie (quantification des effets thermiques et rhéologiques)

En plasturgie, la maîtrise de la régulation thermique des outillages apparaît aujourd hui comme une des composantes essentielles de l amélioration de la productivité des procédés et de la qualité des produits. S inscrivant dans le contexte du développement d outils numériques dédiés à l optimisation de la fonction refroidissement des outillages, ce travail répond à deux besoins. Le premier est la nécessité de disposer d un modèle précis du comportement thermique des polymères semi-cristallins au cours du refroidissement et de l influence de cette phase sur la microstructure du matériau, conditionnant ses propriétés finales. Un modèle numérique de la cristallisation d un polymère soumis à un écoulement anisotherme est développé. Le 1er invariant du tenseur des extra-contraintes, représentative du comportement rhéologique viscoélastique du matériau, est considérée comme la force motrice d une germination additionnelle s ajoutant à la germination induite par la thermique. La croissance de ces germes est décrite par deux systèmes d équations de Schneider. Le modèle est ensuite appliqué la cristallisation d un polypropylène isotactique dans un écoulement de cisaillement (écoulement de Couette). Les effets thermiques et rhéologiques sur la cristallisation sont alors quantifiés en termes d accélération de la cinétique et de répartition morphologique finale (type, densité et tailles moyennes des cristallites). D autre part, l optimisation des performances thermiques des outillages fait appel à des techniques de mesure du transfert de chaleur précises, fiables et adaptées aux contraintes du procédé, dans le but d alimenter et de valider les simulations numériques. Une technologie innovante d instrumentation thermique est mise en œuvre sur un moule d injection, sous forme d un insert fluxmétrique, afin d évaluer localement les transferts de chaleur entre le polymère et l outillage. L influence des conditions d injection sur la réponse du capteur est analysée. Les signatures thermiques du procédé ainsi obtenues permettent de valider un modèle simplifié des transferts thermiques lors de la phase de refroidissement.In polymer processing, control of thermal regulation appears as one of the most relevant ways to increase the productivity of processes and to enhance the quality of products. In the framework of the development of numerical tools dedicated to mold cooling optimization, the purpose of this work is twofold. Firstly, in order to describe the thermal behavior of semicrystalline polymers during the cooling stage and the influence of this stage on the material's final microstructure and properties, a numerical model of crystallization under nonisothermal flows is developed. The 1st invariant of the extra-stress tensor, resulting from the viscoelastic behavior of the polymer, is considered as the driving force of flow induced nucleation added to the thermally induced nucleation. The growth of the nuclei is described by two sets of Schneider equations. The model is then applied to the nonisothermal crystallization of an isotactic polypropylene in a shear flow configuration (Couette flow). Thermal and rheological effects on crystallization are quantified in terms of kinetics enhancement and final morphological distribution (type, density and average size of crystallites). Secondly, the heat transfer measurement techniques used for mold cooling optimization must be accurate, reliable and compliant with the constraints of the process. A new thermal instrumentation technique is implemented and tested as a heat flux sensor integrated to a mold insert. The aim is to evaluate the local heat transfer between the polymer and the mold wall. The influence of the process parameters on the sensor response is analyzed. The "thermal footprints" of the process are used to validate a simplified heat transfer model of the cooling stage.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Finite Element Analysis of Gas Diffusion in Polymer Nanocomposite Systems Containing Rod-like Nanofillers

Polymer-based films with improved gas barrier properties are of great interest for a large range of applications, including packaging and coatings. The barrier effect is generally obtained via the addition of a sufficient amount of impermeable nanofillers within the polymer matrix. Due to their low environmental footprint, bio-based nanocomposites such as poly(lactic acid)–cellulose nanocrystal (PLA–CNC) nanocomposites seem to be an interesting alternative to synthetic-polymer-based nanocomposites. The morphology of such systems consists of the dispersion of impermeable rod-like fillers of finite length in a more permeable matrix. The aim of this work is to analyze, through finite element modeling (FEM), the diffusion behavior of 3D systems representative of PLA–CNC nanocomposites, allowing the determination of the nanocomposites’ effective diffusivity. Parametric studies are carried out to evaluate the effects of various parameters, such as the filler volume fraction, aspect ratio, polydispersity, and agglomeration, on the improvement of the barrier properties. The role of the filler–matrix interfacial area (or interphase) is also investigated and is shown to be particularly critical to the overall barrier effect for highly diffusive interphases

Numerical analysis of 3D mass diffusion in random (nano) composite systems: Effects of polydispersity and intercalation on barrier properties

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3D Mass diffusion in ordered nanocomposite systems: Finite element simulation and phenomenological modeling

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Spent fuel transportation cask under accidental fire conditions: Numerical analysis of gas transport phenomena affecting heat transfer in shielding materials

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Mixed-Matrix Membranes Based on Polyetherimide, Metal–Organic Framework and Ionic Liquid: Influence of the Composition and Morphology on Gas Transport Properties

International audienceIn this work, membranes based on polyetherimide (PEI), a ZIF-8 metal–organic framework and 1-ethyl-methylimidazolium tetrafluoroborate ionic liquid (IL) were prepared. IL and ZIF-8 contents amounting to 7 wt% and 25 wt%, respectively, were investigated. CO2, He and H2 transport properties of PEI/IL/ZIF-8 membranes were compared to those obtained for the respective PEI/ZIF-8 and PEI/IL systems. Membranes’ gas permeability and selectivity are discussed as a function of the membrane composition and morphology, and they were assessed in relation to existing experimental and theoretical data from the literature. Promising gas transport properties were obtained using the appropriate combination of ZIF-8 and IL amounts in the PEI matrix. Indeed, an increase in the CO2 permeability coefficient by a factor of around 7.5 and the He and H2 permeability coefficients by a factor of around 4 was achieved by adding 7 wt% IL and 10 wt% ZIF-8 to the PEI matrix. Moreover, diffusion was evidenced as a governing factor in the studied membrane series

Numerical simulation and thermal analysis of the filling stage in the injection molding process: role of the mold-polymer interface

International audienceComputer simulation is one of the most efficient ways to assist engineers to find a good design solution and to produce high quality plastic parts. The prediction of the parameter evolution during material forming requires a fair understanding of the interaction between the material properties and the process. One of the problems encountered in numerical simulation of the injection molding process is the tracking of the polymer-air front or interface during the filling stage (Haagh et al., Int Polym Proc 1997, 12, 207). This article presents a numerical simulation of a nonisothermal molten polymer flow in a cavity as in the injection molding process. The continuity and complete Navier-Stokes equations are coupled with the level set convective equation to predict the flow front and the fountain flow effect. The fluid behavior is modeled by the Cross-Arrhenius model. Thanks to the use of the level set method, a special focus is made on the polymer-mold interfacial heat transfer, and the effect of a variable thermal contact resistance is thoroughly investigated. A new interpretation of the flow marks defect causes, based on the interfacial heat flux analysis, is then suggested