Rhéologie élongationnelle d'un polymère
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La rhéologie caractérise à l'état fondu le comportement d'un polymère . Cette technique de caractérisation permet de comprendre le comportement d'un polymère lors de sa mise en ouvre ou en forme (procédés de la plasturgie)[1]. Lors des procédés de la plasturgie, le polymère subi des contraintes de cisaillement et des contraintes élongationnelles. L'écoulement élongationnel est majoritaire sur certains procédés comme l'extrusion gonflage. Il est donc important de connaitre la rhéologie élongationnelle d'un polymère afin de pouvoir comprendre son comportement en élongation et de prédire sa processabilité lors de sa mise en forme.
Dans le cas des fluides newtoniens, la viscosité élongationnelle égal à trois fois la viscosité transitoire en cisaillement (modèle de Trouton). Cependant, la plupart des polymères ne présentent pas un comportement newtonien à l'état fondu. En effet, le modèle de Trouton n'est pas valable pour certains polymères.[2]
Technique de mesure
La rhéologie élongationnelle d'un polymère peut être caractérisé en utilisant un rhéomètre équipé d'un outil qui permet d'imposer une déformation uniaxial sur l'échantillon. Par exemple, l'outil SER (Sentmanat Extensional Rheomoeter) constitué de deux tambours qui tournent en sens inverse, permet d’appliquer un champ de déformation purement unaxial. L'échantillon est donc fixé entre les deux tambours pour être étiré a une vitesse fixé dans le rhéomètre, et la résistance à l'étirement permet d'aboutir à la viscosité du polymère.[3]
Comportement d'un polymère en élongation
Les polymères présentent différents comportement sous un écoulement élongationnel. Le durcissement sous contrainte est le comportement le plus important en élongation, caractérisé par l’augmentation de la viscosité transitoire en élongation du polymère par rapport a celle mesuré en cisaillement. Le durcissement sous contrainte est favorable pour les procédés impliquant majoritairement des contraintes élongationnelles. A titre d'exemple, en extrusion gonflage, la bulle du polymère gonflé est stable si il présente un durcissement sous contrainte en élongation. Le durcissement sous contrainte est aussi signature d'un polymère réticulé. Il dépend donc de l’architecture macromoléculaire du polymère (le branchement à long chaîne du polymère), de la masse molaire et aussi de sa distribution. Dans le cas des mélanges de polymères, le comportement du mélange en élongation est fortement lié à la morphologie du mélange (la génération d'une morphologie fibrillaire sous élongation permet de donner un comportement de durcissement sous contrainte pour le mélange). Le durcissement sous contrainte est d’autant plus important que la quantité de haute masse molaire est grande dans le mélange.[4]
Exemple
Sur la figure, des courbes de viscosité élongationnelle d'un polyéthylène base densité (PEBD) à une température de 170 °C pour différentes vitesses d'élongation (de 0.01 à 1 s-1). Le PEBD présente un durcissement sous contrainte très marqué qui est due a sa structure branché.
- Nicole R. Demarquette, « Propriété, rhéologie et mis en oeuvre des polymères, mélange de polymères et composite a matrice thermoplastique », ETS, (lire en ligne)
- Christophe Chevallier, « Ecoulements ´elongationnels de solutions dilu´ees de ´ polym`eres », HAL, (lire en ligne)
- (en) Martin Sentmanat, « Measuring the transient extensional rheology of polyethylene melts using the SER universal testing platform », Sentmanat, (lire en ligne)
- Delphine Virepinte, « Etude de mélanges binaires de polymères sous écoulement élongationnel », Université de Pau et des Pays de l’Adour, (lire en ligne)