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Le 29 mars 2021

Soutenance de thèse de Emilie FORESTIER

Etude de la microstructure induite du PEF, un polymère biosourcé, lors d'étirages uniaxiaux et biaxiaux au-dessus de la transition ?

Soutenance de thèse de Emilie FORESTIER

Résumé de la thèse en français

Ce travail a pour but de fournir une meilleure compréhension du comportement mécanique ainsi que du développement microstructural d'un polymère biosourcé, le PEF. En effet, ce polymère est de plus en plus évoqué pour remplacer un des matériaux les plus utilisés dans l'emballage alimentaire, le PET. Le PEF peut être considéré comme l'analogue biosourcé du PET. La différence entre ces deux matériaux est la présence d'un cycle furanique (composé d'un atome d'oxygène possédant deux doublets non liants) dans le PEF à la place du cycle benzénique. Par rapport au PET, cette spécificité du PEF est responsable d'une température de transition vitreuse ainsi que d'un module élastique plus élevés, d'une vitesse de cristallisation plus lente, d'un cristal moins stable et d'une fusion à plus basse température. A partir de l'étude de l'étirage du PET amorphe, et de son développement microstructural, l'étirage uniaxial du PEF amorphe a été étudié. En considérant les différences architecturales des chaines, il apparaît que le PEF et le PET ne peuvent pas être étirés dans les mêmes conditions (vitesse de déformation et température). Pour réaliser des tests mécaniques (étirage uniaxial et biaxial) qui correspondent au PEF, il est nécessaire de définir au préalable la gamme de formage ainsi que des conditions d'étirage adaptées. Dans ce but, un protocole d'étirage spécifique, basé sur la construction et l'utilisation d'une courbe maîtresse à la température de référence propre à chaque matériau, a été défini et appliqué au PEF et au PET. Cette courbe permet de connaitre l'état physique initial du matériau en relation avec les couples vitesse de déformation/température. Le contrôle de l'étirage, ainsi que l'utilisation de paramètres d'étirage qui tiennent compte de l'état physique initial du matériau, conduisent à la formation d'un cristal qui va augmenter la stabilité thermique ainsi que la rigidité du matériau. Le comportement mécanique du PEF révèle qu'avec des conditions d'étirage correctes, il se comporte comme le PET. Dans les premières étapes de l'étirage, les deux matériaux présentent une réponse mécanique très similaire. Une différence majeure concernant le moment d'apparition du cristal existe entre le PEF et le PET. En effet, la phase cristalline du PEF doit d'abord se former avant qu'il puisse durcir sous étirage. Jusqu'à la fin de l'étirage, le cristal n'évolue quasiment plus. Au contraire, le PET forme dans un premier temps une mésophase. L'existence du cristal dépend de la déformation finale imposée et des conditions de refroidissement. La microstructure induite sous étirage a été largement étudiée et comparée à celle présente dans un échantillon cristallisé statiquement. Une grande similitude est notée entre ces deux modes de cristallisation, spécialement au niveau de la définition du cristal. Il apparaît que la microstructure induite sous étirage est plus contrainte que celle obtenue après une cristallisation statique. Ce travail a également mis en évidence que la microstructure formée lors de l'étirage du PEF est relativement similaire et ce, quelles que soient les conditions d'étirage. Pour le PET, le développement microstructural semble être bien plus tributaire des couples vitesse/température utilisés.

Résumé de la thèse en anglais

The aim of this work is to provide a better understanding of the mechanical behaviour as well as of the associated microstructural development of a biobased polymer, named PEF. Indeed, this polymer is more and more evocated to replace one of the polymer used in food packaging, PET. PEF is identified as the biobased counterpart of PET. The difference between these two materials is the presence of a furan ring (composed of an oxygen atom with two non-binding electrons), instead of a benzene one, in PEF. This PEF specificity is responsible of a higher glass transition temperature and elastic modulus, a slower crystallization rate, a lower stability of the crystal and a lower melting temperature in comparison with PET. Based on the stretching of amorphous PET and on its microstructural development, the stretching of amorphous PEF is investigated. Considering the differences in the chain architecture, it appears that PEF and PET cannot be stretched with the same process parameters (strain rate and temperature). In order to perform efficient PEF uniaxial and biaxial tests, it is necessary to define the forming range and some suitable stretching parameters. In this way, a specific stretching protocol, based on the building and on the reading of a master curve at a reference temperature for each material, has been defined and applied on PEF and PET. This master curve allows to know the initial physical state of the material in relation with the couples strain rate/temperature. The stretching mastering and the use of optimize stretching settings lead to the creation of a crystal that increases the thermal stability as well as the rigidity of the material. The mechanical behaviour of PEF reveals that, after the optimization of the stretching settings, this material acts in a similar way as PET. In the first stages of the stretching, both materials mechanical responses are really close. A major difference exists between PEF and PET concerning the apparition of the crystal upon stretching. Indeed, it is found that PEF must form the crystal to strain harden. Up to the end of the stretching, this crystal does not evolve. On the contrary, PET forms firstly a mesophase. The crystal existence is dependent on the final strain and on the quenching protocol. The microstructure induced upon stretching has been widely analysed and compared to the microstructure existing when a sample is crystallised in static conditions. A high similarity exists between the two ways of crystallization, especially for the crystal definition. It seems that the microstructure induced during the stretching is more constrained than the one obtained from a static crystallization. It has to be noted that the aliphatic part of the chain is the first one impacted by the stretching. This work has also highlighted that the microstructure induced in PEF under stretching is relatively close whatever the stretching conditions are. Concerning PET, the microstructural development seems to be more dependent on the stretching settings.

 

Titre anglais : Strain induced microstructure in PEF, a biobased polymer, upon uniaxial and biaxial stretching above the ?-relaxation
Date de soutenance : lundi 29 mars 2021 à h00
Adresse de soutenance : Centre de mise en forme des Matériaux,1 Rue Claude Daunesse CS 10207 06904 Sophia Antipolis France - Amphitéâtre Mozart
Directeur de thèse : Noëlle BILLON
Codirecteur : Nicolas SBIRRAZZUOLI
Co-encadrant : Christelle COMBEAUD

> plus d'informations sur le site dédié Soutenance de thèse de Emilie FORESTIER - MINES ParisTech

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