Study of mechanical properties and damage mechanisms in plasticized cellulose acetate polymers
Étude des propriétés mécaniques et des mécanismes d’endommagement dans un polymère bio-source : l’acétate de cellulose plastifié
Résumé
Cellulose acetate (CA) is a bio based polymer. Melt processing of cellulose based thermoplastic polymers is a real challenge. One problem is the existence of a narrow window between the melting point and the degradation temperatures for cellulose acetate with a substitution degree (DS) around 2.45 (which is developed and commercialized by Rhodia Acetow). As a consequence, its processing can only be considered with a sufficient amount of externalplasticizer (between 15 and 30% by weight). The corresponding polymer/plasticizer blends areamorphous and their mechanical properties are mainly governed by the presence of a high volume fraction of strong hydrogen bonds. The plasticization of cellulose acetate has been thesubject of many studies allowing us to focus on two plasticizers: triacetin (TA), an eco-friendlyplasticizer frequently used for cellulose acetate and diethyl phthalate (DEP) which is the historicplasticizer of cellulose acetate which constitutes a reference for this work as it is usually the case in the literature. Few studies have been published regarding the mechanical properties of bulk cellulose acetate (prepared via injection molding). It is described that they are comparable to those of PS or poly(methyl methacrylate) (PMMA) and have proven to be particularly interesting. Cellulose acetate based materials usually display a high Young modulus. But its small deformation at break limits its potential for new applications. The objectives of this thesis are to deeply understand the mechanical properties and damage mechanisms of bulk plasticized cellulose acetate polymers. For this purpose we first analyzed the tensile behavior and the influence of various parameters such as nature and content of the plasticizer, but also the influence of the injection process. We have thus been able to highlight the appearance of a strain hardening regime from 8% of deformation under certain conditions. It appears that the choice of the plasticizer, the temperature of the experiment and the macroscopic pre-orientation of the chains significantly influence this regime. Strain hardening has already been observed in other amorphous polymers such as polycarbonate (PC) or poly (methyl methacrylate) (PMMA) which are classified as amorphous polymers called "ductile". The origin of this regime is still undeveloped and much debated, however it appears that it stabilizes the deformation by avoiding the localization of damage and is therefore a key parameter for improving the ductility of these polymers. In order to better understand this ductility, we have made some analysis by Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) as well as Ultra Small Angles X-ray Scattering (USAXS). Thanks to these characterizations we have been able to describe the micromechanisms of damage from macro to nano-scales and thus precisely describe the micromechanisms related to initiation and propagation of damage. By these analyzes we highlight the simultaneous nucleation of nano crazes around pre-existing defects (related to the injection process). These crazes grow slowly until reaching the hundred microns. However, when the applied stress becomes sufficiently high, a small portion of these crazes starts to grow faster until the failure of the sample. With DEP the kinetics of growth is very fast, causing a brittle failure of the sample. With TA this growth is slower, which makes it possible to observe the evolution of the larger crazes. This work proposes a new mechanism of damage in plasticized cellulose acetate based on experimental results and physical interpretations
L'acétate de cellulose (CA) est un bio-polymère issu de la cellulose du bois. Sa température de dégradation (dont le degré de substitution 2,5 est développé et commercialisé par le Groupe Solvay) étant très proche de sa température de fusion, son procédé de mise en oeuvre par voie fondue ne peut être envisagé qu'avec l'ajout d'une quantité importante de plastifiant externe (entre 15 et 30% en poids). Le polymère plastifié obtenu est classé parmi les thermoplastiques amorphes et ses propriétés sont régies par un «réseau» de très fortes interactions polaires. La plastification de l'acétate de cellulose à fait l'objet de nombreux travaux nous permettant de nous concentrer in fine sur deux plastifiants: la triacétine (TA), un plastifiant biosourcé fréquemment utilisé dans l'acétate de cellulose et le Diethyl Phthalate (DEP) qui est le plastifiant historique de l'acétate de cellulose et constitue une référence. Les propriétés mécaniques de l'acétate de cellulose plastifié obtenu par voie fondue étant peu étudiées dans la littérature, nous avons dans un premier temps évalué le comportement en traction et l'influence de différents paramètres tels que le taux et le choix du plastifiant mais également l'influence du procédé d'injection sur ces propriétés. Nous avons ainsi pu mettre en évidence l'apparition d'un régime de durcissement plastique (strain hardening en anglais) dès 8% de déformation sous certaines conditions. Il apparaît que le choix du plastifiant, la température d'analyse et la pré-orientation macroscopique des chaînes influencent significativement ce régime. Le durcissement plastique a déjà été observé dans d'autre polymères amorphes tels que le polycarbonate (PC) ou le poly(méthyle methacrylate) (PMMA) qui sont classés parmi les polymères amorphes dit « ductiles ». L'origine de ce régime est encore peu connue et suscite de nombreux débats, cependant il semblerait qu'il stabilise la déformation en évitant la localisation de l'endommagement et serait donc un paramètre clé pour l'amélioration de la ductilité de ces polymères. Afin de mieux comprendre cette ductilité nous avons réalisé des observations par microscopie électronique à balayage en transmission (STEM) ainsi que par diffusion des rayons X aux très petits angles (USAXS). Grâce à ces caractérisations nous avons pu décrire les micro-mécanismes d'endommagement sous traction de nos polymères depuis l'échelle macroscopique jusqu'à l'échelle nanométrique et ainsi décrire précisément les micro-mécanismes liés à l'initiation et la propagation de l'endommagement. Par ces analyses nous mettons en évidence la nucléation simultanée de craquelures nanométriques autour des défauts préexistants (liés au processus de mise en oeuvre). Ces craquelures vont ensuite croitre de façon très limitée jusqu'à atteindre la centaine de micron. Cependant lorsque la contrainte appliquée devient suffisamment élevée, une petite portion de ces craquelures vont se mettre à croitre plus rapidement jusqu'à entrainer la rupture de l'échantillon. Avec le DEP la cinétique de croissance est très rapide, entrainant une rupture brutale de l'échantillon dès qu'une craquelure atteint une dimension critique. Avec la TA néanmoins cette vitesse est plus lente, ce qui permet d'observer l'évolution d'une deuxième famille de craquelures. Ces travaux proposent un nouveau mécanisme d'endommagement dans l'acétate de cellulose plastifié basé sur des résultats expérimentaux et un modèle physique permettant une meilleure compréhension de la ductilité dans ces polymères
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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