IPREM - Institut des Sciences Analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux


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Rhéologie des fluides complexes.

Nos autres axes de recherche
Ingénierie macro-moléculaire
Surfaces et interfaces

Les travaux développés dans cette thématique ont pour objectif la compréhension et la modélisation des propriétés rhéologiques et mécaniques de matériaux à base de polymères naturels ou synthétiques en relation avec leur structure.

Les principaux systèmes étudiés sont :

1- Les polymères purs à l'état fondu sous écoulement

Modification des propriétés rhéologiques induites par l'écoulement: Les travaux portent sur la modélisation des propriétés viscoélastiques linéaires et non linéaires de polymères en utilisant les modèles moléculaires génériques développés par l’équipe. Ces travaux fondamentaux sont souvent déclinés en applications relevant essentiellement de la plasturgie : extrusion, soufflage de gaine et extrusion-couchage, par exemple. Actuellement ils portent sur la modification sous écoulement des propriétés rhéologiques des polymères linéaires ou branchés et la modélisation du comportement viscoélastique non-linéaire de ces polymères.

Instabilités d’écoulement: L’objectif de nos travaux menés en collaboration avec l’Ecole des Mines de Paris (CEMEF) est de comprendre les origines physiques, à l’échelle moléculaire, des instabilités d’écoulement en extrusion (peau de requin, défaut oscillant, etc..). A cette fin nous relions ces défauts aux propriétés rhéologiques du polymère et à celles de la surface de la filière (adsorption, glissement). Nous avons essentiellement progressé dans la compréhension des défauts de « peau de requin » et « oscillant ». En parallèle de cette étude, nous avons mené des travaux sur les charges électriques qui apparaissent à la surface des polymères extrudés.

Polymères et simulations des écoulements: En collaboration avec le Laboratoire de Mathématiques Appliquées (LMA-UMR 5142) de l'UPPA, nous nous intéressons à la simulation et la modélisation des écoulements de liquides non-newtoniens. Les compétences au niveau de la modélisation physique sont apportées par l'EPCP et celles concernant l’analyse numérique et l’implémentation par le LMA. Nous participons au projet INRIA Concha du LMA initié en 2006. Le principal objectif de ce projet est de développer un ensemble d'outils de simulation pour la mécanique des fluides. Trois axes de recherche sont retenus : les ondes de choc ; les écoulements turbulent ou laminaire de composés réactifs (turbine d'hélicoptère) ;  les écoulements de liquides polymères.

2- Les systèmes polymères structurés

Etude de polymères chargés modèles : Afin de mieux comprendre les relations entre structure et propriétés dans les polymères renforcés de particules solides, nous avons étudié des nanocomposites modèles constitués d’une dispersion dans un élastomère, de billes de silice elles-mêmes entourées d’une couche greffée du même polymère. L’approche utilisée permet de contrôler les dimensions (masse molaire et indice de polymolécularité) et la densité de greffage des chaînes macromoléculaires. Un nouveau concept a été élaboré de manière à facilement moduler et contrôler les interactions entre la brosse d’élastomère, plus ou moins dense, et le fondu de polymère possédant une masse molaire équivalente ou non. En combinant des expériences de spectroscopie mécanique avec des mesures en diffusion de neutrons aux petits angles (col. LLB - CEA de Saclay), nous avons mis en évidence une corrélation forte entre la structure de la suspension et ses propriétés viscoélastiques. En effet, aux fractions volumiques pour lesquelles apparaît un pic de structure en diffusion de neutrons, le système présente en rhéologie, aux basses fréquences de sollicitation, unetransition vers un comportement de gel, puis de solide viscoélastique.

Nanocomposites: propriétés rhéologiques et électriques :Afin d’améliorer l’incorporation de NTC dans unematrice polymère, on a souvent recours à lamodification de l’interface NTC/polymère. Nous avonscherché à établir la relation existant entre la nature decette interface et l’organisation spatiale des NTC d’une part, les propriétés rhéologiques et électriques dunanocomposite NTC/élastomère obtenu, d’autre part. L’interface NTC/matrice est contrôlée par greffage ouadsorption de chaînes polymères à la surface des NTC par PRC en lien avec l’ingénierie macromoléculaire. L’étude de la morphologie des composites parmicroscopie électronique a montré la nécessité dedistinguer la distribution des NTC au sein de la matrice(c’est-à-dire la répartitiondes amas de NTC dans l’échantillon), deleur dispersion (c’est-à-dire leur individualisation au sein de cesamas). L’étude des propriétés viscoélastiques linéaires etélectriques des composites obtenus a mis en évidenceun phénomène de percolation. Nous avons égalementmontré que les propriétés électriques des compositessont sensibles à la dispersion des NTC, alors que lespropriétés rhéologiques le sont à la qualité de ladistribution.

 Mousses de polymères : Les études portent sur la formation des mousses depolymères et les propriétés qui en découlent. Lors d'unpremier travail exploratoire, nous avons montré, pour le polyuréthanne, l'importance du couplage entre la cinétique de formation du polymère et l'expansion de la mousse. De plus, nous avons développé une ligne d'extrusion afin de fabriquer des mousses polystyrène.Le contrôle de la libération du gaz par un agent porogène semble dans ce cas gouverner la formation de la mousse. Ce travail a été réalisé en partenariat avec les sociétés Axyal et Knauf Insulation avec le soutien financier de la Communauté d'Agglomérationde Pau-Pyrénées. Une nouvelle thèse soutenue par leConseil Général des Pyrénées-Atlantiques qui a débutéen janvier 2008 va permettre de quantifier les liens entre conditions de mise en oeuvre et propriétés finales des mousses obtenues.

3- Les polymères à l'état solide: polymères hautes performances

L’objectif de ces travaux est de concevoir ou de dimensionner des matériaux polymères hautes performances fiables pour application électrique par une approche expérimentale multitechnique (rhéologie, spectroscopie IR, DSC, TGA…) très utile pour la compréhension des mécanismes de défaillance, de vieillissement en milieu agressif ou en conditions réelles d’exploitation. Ces travaux ont été menés en partenariat industriel. Ils ont notamment permis la conception de modules de puissance embarqués pour le ferroviaire (Alstom) puis pour l’aéronautique (Hispano Suiza).