Comportements thermomécaniques de polymères chargés selon différents chemins de déformation et traitements thermiques, Thermomechanical behaviours of filled polymers along various deformation paths and thermal treatments

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Ecole Doctorale Energie Mécanique MAtériaux
Ecole Nationale Supérieure des Mines de Nancy

THESE DE DOCTORAT

Pour l’obtention du grade de Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
Discipline : Science et Ingénierie des Matériaux

par

Marc PONCOT

COMPORTEMENTS THERMOMECANIQUES DE POLYMERES
CHARGES SELON DIFFERENTS CHEMINS DE DEFORMATION
ET TRAITEMENTS THERMIQUES

Date de soutenance publique : 28 octobre 2009

Membres du Jury :

Noëlle BILLON, Professeur, CEMEF ParisTech, Sophia Antipolis……….................….Rapporteur
René FULCHIRON, Maître de Conférences, Université C. Bernard, LMPB, Lyon….......Rapporteur
Roland SEGUELA, DR-CNRS, Université Lille 1, LSPES, Villeneuve d'Ascq……….Examinateur
Patrice BOURSON, Professeur, Université Paul Verlaine, LMOPS, Metz…...….……..Examinateur
Didier VERCHERE, Docteur, ArcelorMittal, Montataire……………………...………..Examinateur
Marjolaine DOUX, Docteur, ArcelorMittal, Montataire……………………...………....….....Invitée
Abdesselam DAHOUN, Professeur, ENSMN, Institut Jean Lamour, Nancy......….Directeur de thèse
Comportements thermomécaniques de polymères chargés selon
différents chemins de déformation et traitement thermique


RESUME :

Depuis quelques années, l'industrie automobile s'intéresse au développement de composites
“multimatériaux” à base d'acier et de polymère thermoplastique. Cette solution comporte plusieurs
objectifs majeurs tels que l'allègement, l'acoustique, la tenue aux petits chocs... Ainsi, le groupe
ArcelorMittal et son centre de recherche de Montataire, développent de nouvelles solutions acier
innovantes associant métal et polymère. Dans le cas particulier des ailes de voiture, le composite retenu
est un matériau multicouche composé d’une lame d’acier sur laquelle est déposé un film mince de
polypropylène choc chargé avec des particules minérales par l’intermédiaire d’une fine couche de
polypropylène fonctionnalisé par le greffage d’anhydride maléique.
Afin de prévoir et de connaitre le comportement de la partie organique du matériau lors de sa mise
en forme par emboutissage et à posteriori de prédire l’état de ses propriétés mécaniques lors de son
utilisation en tant que partie intégrante de la carrosserie automobile, la détermination des lois de
comportement mécanique vrai et intrinsèque sur le modèle de la loi G’sell et Jonas est nécessaire. Ces lois
sont définies selon trois chemins de déformation : la traction uniaxiale, le cisaillement simple et la
™traction plane; et sont obtenues à l'aide du système VidéoTraction .
Les micromécanismes de déformation de la microstructure semi-cristalline des différentes
formulations des matériaux selon leur mode de sollicitation mécanique ont été étudiés. Les résultats
obtenus Post Mortem et In Situ ont permis d’établir une description qualitative et quantitative des
évolutions des principales modifications microstructurales au cours d’une déformation en traction. Ces
dernières diffèrent lorsque des charges minérales sont ajoutées à la matrice polymère.
Deux nouvelles méthodes, la Tomographie X et la spectroscopie Raman permettent la
détermination de la déformation volumique dans le cas de matériau de géométrie fine telle que les films
de 300 µm d’épaisseur.
Le phénomène de retrait thermomécanique lors d’un cycle thermique au dessus de la température
de fusion du matériau est étudié. Les influences des conditions de chauffage, de la formulation et de la
microstructure des matériaux sont décrites. Une attention particulière est portée sur les influences de
l’orientation des chaînes macromoléculaires et de l’endommagement volumique.


MOTS-CLES :
Composite métal / polymère, polymère semi-cristallin, polypropylène choc, élastomère éthylène-
propylène, µ-talc, CaCO, anhydride maléique, microstructure, traction uniaxiale, traction plane, 3
cisaillement simple, déformation plastique, déformation volumique, endommagement, orientation, retrait.

Thermo-mechanical behaviours of filled polymers along various
deformation paths and thermal treatments


ABSTRACT :

Since few years, automotive industry tends to develop multi-materials composites based on steel
and thermoplastic polymer. This issue presents several main objectives such as lightening, acoustic
properties, small impacts resistance… This way, the ArcelorMittal Company and in particular its research
centre of Montataire (France), elaborates innovative steel / polymer products. In the case of automotive
fenders, the composite is a multilayered material. A thin impact polypropylene film is laminated on a
steel blade using a very thin layer of a polypropylene functionalized by maleic anhydride grafted groups.
The main polymer layer is filled by mineral particles in order to improve stiffness.
In order to predict and understand the behaviour of the composite organic layer all along its
conformation process by stamping and finally to be able to characterize the state of its mechanical
properties in use, the determination of the true and intrinsic mechanical behaviour laws according to the
G’sell and Jonas model (1981) is necessary. These laws are obtained for three different mechanical paths:
uniaxiale tensile, simple shear and plane tensile. Each one these modes are available using the
™VidéoTraction system developed at the laboratory.
The deformation micromechanisms of the impact polypropylene semi-crystalline microstructure
which depend on the materials formulations and on the mechanical path used are studied. Post Mortem
and In Situ results give qualitative and quantitative description of the main microstructural modifications
evolutions involved during tensile tests. When the polymer contains mineral fillers, the lasts present
important differences.
Two new methods, X Tomography and Raman spectroscopy allow the quantification of the
volume deformation which is developed during tensile tests and for special polymer formulation in shear.
™They are mainly available for very thin samples. X radiography and VideoTraction are not suitable
anymore for this kind of geometry.
Finally, the thermo-mechanical phenomenon of shrinkage which occurs during thermal treatment
above the material melting point is analysed. Influences of the heating conditions, of the material
formulations and of the material microstructure are described. Special overviews are done on the
macromolecular chains orientation and on the volume damage influences.


KEY WORDS :
Steel / polymer composite, semi-crystalline polymer, impact polypropylene, ethylene-propylene rubber,
µ-talc, CaCO , maleic anhydride, microstructure, uniaxiale tensile, plane tensile, simple shear, plastic 3
deformation, volume deformation, damage, orientation, shrinkage.
PREFACE
Cette préface a pour objectif de renseigner le lecteur sur le contexte du déroulement de
la thèse. Elle présente les contraintes politiques et économiques qui ont influencées et
modifiées le contenu de ce manuscrit.
Initialement, le sujet était proposé par les équipes Revêtement Organique et Mise en
Forme pour le marché Packaging d’ArcelorMittal Research basée à Maizière-Les-Metz,
France. Ce projet basé sur le développement de boîtes boisson en acier pré-revêtu d’un film
de PET, rentrait dans le cadre du pôle de compétitivité Lorrain « Matériaux Innovants et
Produits Intelligents » (MIPI). La connaissance du comportement mécanique et des propriétés
du PET était essentielle pour la mise au point du produit, la bonne maîtrise du procédé de
mise en forme et la garantie des propriétés d’usages pour