Atomistic simulation of fluoropolymers : impact of regiodefects on characterization of polyvinylidene fluoride

Abstract

L'alternance de deux groupes de polarités très différentes, CH2 et CF2, permet au poly fluorure de vinylidène (PVDF) d’être un polymère industriellement très intéressant. Cependant, cette spécificité mène aussi à d’importantes inversions du monomère lors de la polymérisation vinylique. Pendant la polymérisation, en complément de la propagation tête-queue, CH2CF2CH2CF2, les monomères inversés conduisent à l’addition en queue-queue, CF2CH2CH2CF2, et tête-tête, CH2CF2CF2CH2. Le taux de transformation de polymère se trouve expérimentalement entre 3 et 7%. Ce pourcentage élevé entraine sans aucun doute la modification de propriétés macroscopiques. En utilisant la dynamique moléculaire, cette thèse a pour but de montrer l'effet de ces défauts sur la température de transition vitreuse (Tg), la dynamique locale et sur la température de fusion (Tm) du PVDF. En phase amorphe, le PVDF avec différents pourcentages de régio-défauts a été étudié : 3.6, 4.1, 9.3 et 23%. Cette étude permet de prédire le comportement de polymères qui ne sont pas synthétisés. Étant donné que les Tg simulées et expérimentales concordent avec précision, les motifs moléculaires qui donnent lieu à l'effet plastifiant de l'inversion de monomères peuvent être envisagés. En plus d'accentuer leur effet de plastifiant, la conclusion significative est que la relaxation de la chaîne peut être révélée en abordant explicitement des mouvements locaux. Car cette procédure ne peut pas être déduite de la connaissance du Tg, nous avons basé notre analyse sur le fait cela : 1) Nous avons démontré que des relations linéaires directes entre Tg et l'énergie d'activation conformationnelle de transition (Ea) extraite à partir d'un graphe d'Arrhenius, existent. Ce diagramme correspond au logarithme naturel des taux de transition entre les états rotameriques contre l'inverse de la température. La pente de cette courbe rapporte directement à cet Ea efficace. Un tel lien a été seulement spéculé dans la littérature. 2) Nous avons calculé des relations d'Arrhenius pour différents genres de torsions le long de la chaîne d'épine dorsale. En conséquence, une barrière d'énergie potentielle, ea, est associée à la rotation d'un lien dans un environnement spécifique. L'addition de ces énergies pesées par le pourcentage de chaque lien le long de l'épine dorsale, donne un ea moyen qui est équivalent à l'ea efficace. À l'aide de cette procédure, nous avons maintenant accès au mouvement local de la chaîne entière. 3) Nous avons vérifié cette procédure pour calculer une valeur pour le Tg du copolymère alternatif du l'éthylène-tétrafluoroéthylène (E-TFE), qui possède les segments qui sont présents le PVDF changé. L'ambiguïté concernant la valeur de la Tg du copolymère E_TFE peut être résolue grâce à cette approche, puisque le PVDF avec 50% de défauts régio-isomériques conduit à l'E_TFE. D'ailleurs, nous avons étudié les temps de relaxation pour la fonction d'autocorrélation de torsion au-dessus d'un large éventail de température. La dynamique locale est alors spécifiquement étudiée. L'équation Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) est utilisée pour décrire le processus de relaxation associée aux mouvements coopératifs des segments le long de la chaîne. Nous avons également étudié le possibilité d'utiliser le Kohlrausch-Williams-Watts (KWW), fonction exponentielle étirée, afin de décrire la dépendance temporelle du processus de relaxation, ce travail a été effectué à différentes températures. Les résultats concordent bien avec les données expérimentales. L'objectif principal de cette section est d'étudier conjointement la fréquence des transitions conformationnelles et le temps de relaxation obtenu par la fonction d’autocorrelation de torsion, sur une plage importante de température, afin d’établir un entre les fréquences des transitions conformationnelles et le comportement de type VFT. Nous montrons pour la première fois qu’une relation linéaire peut être établie entre la barrière de transition conformationnelle et l’énergie d’activation effective. Nous montrons pour la première fois qu'une relation linéaire peut être établie entre la barrière de transition conformationnelle, Ea et l'énergie d'activation effective, B, responsables de la dynamique locale. Parmi les cinq phases cristallines que présente le PVDF, les cristaux α et ß présentent des propriétés particulières intéressantes et ont fait l'objet d'une attention significative. Ces deux structures cristallines sont celles que l’on rencontre le plus souvent, la phase α est la plus thermodynamiquement stable le cristal β possède des propriétés ferroélectriques. Toutefois, le comportement lors de la fusion de ces deux phases cristallines n’est pas encore totalement compris. Certains chercheurs pensent que la température de fusion de la phase β est supérieure à la phase alpha . D'autres affirment que le pic endothermique vu sur le thermogramme obtenue par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) a été attribué par erreur à la phase β, cela à cause d’une confusion dans les références . À cet égard, le comportement de la Tm des cristaux α et β par rapport à leur épaisseur est obtenu par la dynamique moléculaire. Différents types de nanocristaux composés de chaînes de PVDF, sans ou avec 10% de régio-défauts, ayant des longueurs différentes ont ainsi été simulées dans les phases α et β. On applique l'équation de Gibbs-Thomson (G-T) afin de déterminer l'énergie de surface et l’enthalpie de fusion des nanocristaux. Les valeurs déterminées sont en accord avec les données expérimentales. Nous avons montré que le PVDF en phase β pur a une température de fusion inférieure à celle du PVDF en phase α pur. Cependant, en insérant des défauts à l'intérieur du cristal, la phase α modifiée présente une température de fusion inférieure à celle de la phase β modifiée.Abstract : Alternating two groups, CH2 and CF2, of very different polarities along the backbone chain of polyvinylidene fluoride (PVDF) leads to very interesting properties, such as ferroelectricity. However, these properties are affected by the presence of regioisomerism defects (monomer inversion) that appear during the synthesis. During the polymerization, in addition to the Head-to-Tail (HT) sequences, CH2CF2CH2CF2, the reversed monomer units lead to formation of Tail-to-Tail (TT), CF2CH2CH2CF2, and Head-to-Head (HH), CH2CF2CF2CH2, links. The rate of this chain alteration experimentally lies between 3 and 7 %. This percentage undoubtedly brings changes in macroscopic properties. The aim of this thesis is to reveal the impact of these defects on the glass transition temperature (Tg), local dynamics and melting temperature (Tm) of PVDF by using Molecular Dynamics (MD) simulation. In amorphous phase, PVDF chains with different percentages of regiodefects were investigated: 0, 3.6, 4.1, 9.3, and 23 %. This study makes it possible to predict the experimental behavior of polymers which have not yet been synthesized. Once Tg is acquired, the relaxation of the chain can be investigated through the calculation of the activation energy (Ea) of the conformational transition. The significant conclusion is that the relaxation of the chain can be revealed by addressing the local motions. More specifically: a) We demonstrate a direct linear relationship between Tg and Ea extracted from an Arrhenius plot. This diagram corresponds to the natural logarithm of transition rates between rotameric states versus the inverse of the temperature. The slope of this curve yields directly Ea. Such a link was only speculated in the literature. b) A significant finding of this work is that the mobility of the chain can be associated with different types of bonds in PVDF with regiodefects. c) Based on the analysis of Ea for the different bond contributions, we proposed a value for the Tg of ethylene-tetrafluoroethylene (E-TFE), an isomeric polymer of PVDF with 50% regiodefects. Experimentally, the available data for the Tg of E-TFE are limited and highly variable. For example, it has been reported as varying from -108 °C to 145 °C. The ambiguity of Tg for this copolymer can be resolved with this approach. Furthermore, we studied the relaxation time associated with the torsional autocorrelation function (TACF) over a wide temperature range. The Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) equation was used to describe the temperature dependence of the relaxation time. The Kohlrausch Williams Watts (KWW) stretched exponential function is then applied to fit the time dependence of the relaxation process at various temperatures. The results obtained from this work were found to be in good agreement with the experimental data. A particular interest in this study is the question of how the non-Arrhenius VFT of relaxation process is related to the Arrhenius behavior of conformational jump rates near the glass transition. In both cases, the energies (the conformational transition energy (Ea) and the effective activation energy (B) in VFT equation), were very close to the value of a single torsional barrier. However, in contrast to the relaxation time associated with TACF, the rates of conformational jumps show the activation energy higher than the single barrier value. We have shown that a linear relationship can be established between the conformational transition energy and the effective activation energy. In crystalline PVDF, among the five typical phases, the α and β crystals are of particular interest. The α phase is the most thermodynamically stable form and the β crystal possesses ferroelectric properties. The melting behaviour of these two crystal phases is not so clear. Some researchers believe that the melting temperature of the β phase is higher than that of the α phase. Others have claimed that the higher melting temperature of the peak in Differential Scanning Calorimetry (DSC) has been mistakenly attributed to β phase melting, due to confusion in the referencing of literature sources. In this regard, the melting temperatures of α and β crystals (with and without regiodefects) with respect to their thickness are captured by MD simulation. We then applied the Gibbs-Thomson (G-T) equation to determine the melting temperature, as well as the surface energy and enthalpy of fusion, for α and β nanocrystals. We have shown that pure β phase PVDF has a lower melting temperature than pure α phase PVDF. However, by inserting regiodefects randomly inside the crystal, the α phase with regiodefects shows a lower melting temperature than that of the β phase with regiodefects. We attributed this behaviour to the different structures of the two phases