Polymères & Composites

 
Responsables : Bruno FAYOLLE et Abbas TCHARKHTCHI
 

Membres permanents : Xavier COLIN, Isabelle DERUE, Julie DIANI, Anissa EDDHAHAK, Bruno FAYOLLE, Paulo FERREIRA, Joseph FITOUSSI, Alain GAUDY, Matthieu GERVAIS, Pierre GILORMINI,  Anne GRANDMONTAGNE, Alain GUINAULT, Gaelle MINARD, Guillaume MIQUELARD-GARNIER, Albert LUCAS, Gilles REGNIER, Emmanuel RICHAUD, Sébastien ROLAND; Cyrille SOLLOGOUB, Abbas TCHARKHTCHI, Jacques VERDU

Doctorants : Abir ABDESSALEM, Nadia ACHOUR, Sara Melissa AID, Mohamed Besher BARADI, Antoine BARDIN, Mohammed BENCHEIKH, Yan BIAN, Tanguy CHOUPIN, Justine DELOZANNE, Fatima ESSABTI, Clément FREYMOND,  Alexandre GAULTIER, Nicolas GAY, Jérémy GRACIA, Jing HUANG,  Maxime LACUVE, Mohamed Amine LARIBI, Abderrahmane LAMRI, Hassen MEFTEH, Nyhal MEGHIREF, Aïcha MIKDAM, Eeva MOFAKHAMI, Juan Sebastian MONTANA GARCIA, Benjamin POMES,Tétiana SALIVON, Mohammadali SHIRINBAYAN, Paul-Aymé TOULEMONDE, Peiyuan ZUO

ATER/PostDoc/Ingénieur non-permanents : , Virginie DEFAUCHY (Ingénieure),  Mohamed Amine IMADDAHEN (Ingénieur), Armando REANO (Post-Doctorant)

Présentation de l’équipe :

La recherche menée au sein de l’équipe s’attache à comprendre la relation entre les procédés, la microstructure, les propriétés des polymères ainsi que leur durabilité (amorphes, semi-cristallins et réseaux réticulés, dont les élastomères) et de matériaux polymères multiphasés (composites, polymères micro (ou nano) chargés, mélanges de polymères…). Le terme microstructure recouvre tous les aspects de l’architecture du matériau aux différentes échelles : chaîne macromoléculaire, morphologie et texture cristalline, forme et dimensions des renforts et charges, morphologie de mélanges, morphologies et structures spécifiques liées à la mise en œuvre…

Ce groupe aborde tous les aspects du cycle de vie des matériaux polymères et composites, c’est-à-dire depuis leur synthèse, élaboration/mise en œuvre, jusqu’à leur propriétés finales et leur durabilité.

Les acticités de ce groupe se déclinent en 3 axes :

  • Procédés /Processing

  • Propriétés / Properties

  • Durabilité / Durability

Ces 3 axes s’articulent selon 4 thématiques scientifiques qui mobilisent, de façon préferentielle mais non exclusive, les chercheurs de l’équipe. Ces thématiques ont été identifiées comme pouvant offrir une grande potentialité en terme de résultats scientifiques et d’interactions entre les différentes compétences de l’équipe :

Thématique 1 : Compréhension du rôle des interphases dans les systèmes multiphasés

Dans les systèmes multiphasés, réduire la dimension des phases conduit à une augmentation des interfaces et accroit l’importance des régions interfaciales. On observe en particulier, des modifications du matériau dans ces régions interfaciales : modification de mobilité des chaînes macromoléculaires (phase intercristalline, phase amorphe rigide, phénomènes de confinement…), création d’une structure ou d’une phase altérée (interphase entre deux polymère immiscibles mais compatibles, transcristallinité à l’interface entre une matrice et une charge…). Les propriétés macroscopiques peuvent être fortement affectées par ces interfaces et interphases. Des efforts sont à entreprendre notamment pour développer des méthodes expérimentales fines (technique de microscopie à sonde locale type microscopie à force atomique, diffraction des rayons X  synchrotron, analyse enthalpique différentielle modulée…) afin de caractériser ces interphases et étudier leurs effets sur les propriétés macroscopiques du système.

Observation au MEB de sphérolites de PLA

Thématique 2 : Systèmes à architectures spécifiques

Il s’agit dans cette thématique de développer une stratégie et/ou des outils permettant d’accéder à une organisation ou un agencement de la matière –une architecture– spécifique. Cet agencement peut concerner différentes échelles : les chaînes macromoléculaires (orientation préférentielle de la phase amorphe, cristallisations induites spécifiques…), l’arrangement spatial de deux phases immiscibles (de même nature dans le cas de mélanges de polymères ou de nature différente pour tous les systèmes chargés). Les systèmes à architectures spécifiques sont fabriqués dans deux buts :

- ils peuvent présenter des propriétés spécifiques grandement améliorées ; un effet synergique peut être observé en particulier lorsqu’on arrive à organiser la matière à différentes échelles simultanément,

- ils peuvent constituer d’excellents systèmes modèles pour l’approfondissement des connaissances sur les liens entre l’architecture et les propriétés.

La synthèse de macromolécules originales, la modification chimique des polymères pour améliorer les compatibilités entre les phases (in situ ou ex situ), les démarches d’assemblage, le développement d’outils et/ou de techniques de mélange ou de dispersion intelligents sont autant de voies qui seront explorées dans cette thématique.

Film obtenu avec le procédé coextrusion multicouche développé au laboratoire, composé d’une alternance de nombreuses couches de faible épaisseur (micro- voire nanométrique).

 

 

Thématique 3 : étude et modélisation multi-physiques des procédés

Dans ce domaine, le terme multi-physique regroupe tous les phénomènes physiques et chimiques mis en jeu au cours des procédés. Il s’agit d’étudier et de modéliser l’évolution de la microstructure du matériau lors de la sa transformation en pièce et de prendre en compte l’influence des différents paramètres du procédé sur cette évolution. Des progrès relatifs à la fois, à la connaissance des phénomènes élémentaires et au développement d’outils de calcul de plus en plus puissants ont rendu possible, entre autres, la modélisation multi-physique de procédés

Cette thématique concerne les différents types de procédés (réactifs et non-réactifs) et les différentes techniques de mise en œuvre (rotomoulage, injection, extrusion,…). Par exemple, dans les procédés réactifs comme le rotomoulage réactif notamment, les principaux verrous scientifiques sont liés au couplage entre d’une part, la rhéologie et la thermique et la cinétique de la réaction chimique (réticulation de thermodurs par exemple) et d’autre part, la rhéologie et l’écoulement du système réactif. Un autre défi important est lié à la diminution des échelles d’écoulement (dans les procédés nano-impression ou micro-injection par exemple), pour lesquelles les phénomènes visqueux deviennent du même ordre que les phénomènes interfaciaux. Par ailleurs, l’introduction de la tension interfaciale nécessite le développement de méthodes numériques adaptées.

Résultats  SPH pour l’hélice en 2D

Résultats SPH pour le cylindre en 3D

Comparaison de la cinétique de coalescence de deux cylindres de diamètre 20 µm (à gauche), évolution de la température sur un ensemble de grains de PEEK de diamètre 100 µm, après passage d’un laser 5 W à 0,5 m/s (à droite).

Thématique 4 : dégradation  et endommagement des polymères et composites

Cette thématique s’organise autour de la durabilité des polymères et ses membres s’attachent à construire des modèles de prédiction de durée de vie des polymères basés sur une démarche multi–échelle et multi physique.

Si le groupe « Vieillissement des Matériaux Organiques » (TemPo) existe depuis 2009, cette activité au sein du PIMM et des laboratoires à l’origine du PIMM est historique et reconnue tant du point de vue national qu’international.

La recherche s’articule autour de 3 domaines représentatifs des échelles auxquelles il convient d’étudier les phénomènes mis en jeu lors de la dégradation des polymères induite par leur environnement: chimie-macromoléculaire, cinétique, physicochimie des polymères et enfin mécanique. Notre recherche s’attache au développement d’outils scientifiques dans chacun de ces domaines.

 

 

Identification des processus de dégradation (hydrolyse, oxydation et stabilisation) et leur modélisation cinétique.

Analyse et modélisation des processus physiques (diffusion, évaporation, extraction) intervenant lors d’une dégradation

Etablir les relations structure-propriétés (mécaniques) des polymères au cours de leur vieillissement.

Simulation de la consommation des stabilisants au cours du vieillissement

 
L’autre aspect concerne l’endommagement et le comportement à la rupture des polymères et composites lorsqu’ils sont soumis à des sollicitations dynamiques rapides et en fatigue. Le point de départ est l’étude de l’influence du procédé sur le comportement des polymères et composites. L’idée est d’approfondir les relations entre la structure et les propriétés limites (en tension, fissuration, à rupture, en fatigue) et d’aborder le couplage entre la détérioration des propriétés mécaniques et l’évolution du matériau au cours du temps avec une approche « mécanicienne ». Les études portant sur la tenue mécanique des matériaux polymères dans des conditions extrêmes entrent dans cet axe de recherche. Dans ce domaine, on peut par exemple citer, dans le secteur de l’automobile, la tenue de la carrosserie en situation de crash ou celle des réservoirs d’hydrogène à très haute pression.

Les compétences du groupe sont mises au service d’une méthodologie générale pour intégrer« stabilité, tenue mécanique, recyclage et durabilité » des matériaux polymères dans une démarche de recherche intégrant le développement durable.

 

Collaborations Académiques

  • Equipe AFPO du laboratoire de physique des solides de Paris-Sud Orsay (Prof. L. Léger)
  • Equipe Ecoulements Internes et Turbomachines du Laboratoire DynFluid de l'ENSAM (Prof. F. Bakir et Dr S. Khelladi)
  • PCT à l’ESPCI ParisTech (Dr. E. Raphael),
  • Equipe I2MC de l’UMR Géniale à l’INRA-AgroParisTech (Dr. V. Ducruet et S. Domenek)
  • CMMS à Lodz en Pologne (Prof. A. Galeski)
  • Texas Tech University aux USA (Prof. G. McKenna et S. Simon)
  • Université Queen’s de Belfast (Dr. M. Kearns et G. Menary)
  • IUST de Téhéran (Prof. Khavandi)
  • Université Las Palmas de Gran Canaria (Prof. M.D. Monzón Verona)

 

Thèses en cours

Abir ABDESSALEM
Etude et modélisation du couplage hydrolyse et endommagement des matériaux composites à renforts fibreux

Nadia ACHOUR
Modélisation multi-échelle et analyse expérimentale du comportement de composites à matrice thermoplastique renforcés fibres de verre sous sollicitations dynamiques modérées

Sara Melissa AID
Etude de la compatibilité des polymères recyclés par la méthode de coalescence des grains au cours du procédé de rotomoulage

Mohamed Besher BARADI
Characterization and Simulation of the Mechanical Properties at the Weld Lines Induced by Injection Molding of Short Fiber Reinforced Thermoplastics

Antoine BARDIN
Durabilité des élastomères thermoplastiques pour applications marines

Mohamed BENCHEIKH
Etude de l'influence du milieu marin sur les polymères

Yan BIAN
Durabilité des géosynthétiques en poly(alcool vinylique

Tanguy CHOUPIN
Performances mécaniques des composites à matrice de la famille des PAEK 

Justine DELOZANNE
Durabilité des époxy - Application au collage structural aéronautique

Thibault DE TERRIS
Fabrication Additive par fusion laser sélective (SLM) d’un superalliage base nickel

Fatima ESSABTI
Mise en œuvre de nanocomposites à matrice chitosan pour renforcer la perméabilité de films d’emballage biodégradables.

Samira FERNANDES NASSAR
Compréhension de la relation entre la microstructure du polylactide, sa mobilité macromoléculaire et ses propriétés barrière pour la création des emballages issus de ressources renouvelables de demain

Clément FREYMOND
Mise en forme, caractérisation et optimisation de films multinanocouches pour utilisation en emballage alimentaire

Alexandre GAULTIER
Modélisation numérique de la déformation plastique des polymères cristallins

Nicolas GAY
Eude des effets du vieillissement de service sur la résistance en conditions sismiques de mastics de calfeutrement

Jérémy GRACIA
Définition d'un lubrifiant pour les combustibles nucléaires du futur. Effet de la radiolyse alpha sur les propriétés.

Jing HUANG
Vieillissement thermique du PolyDiCycloPentadiène

Maxime LACUVE
Etude de la diffusion de l’eau dans les jonctions à moyenne tension (HTA)

Jérémy GRACIA
Définition d'un lubrifiant pour les combustibles nucléaires du futur. Effet de la radiolyse alpha sur les propriétés.

Mohamed Amine LARIBI
Modélisation micro mécanique de comportement de matériaux composites sous chargements complexes : Evaluations des composites à renforts. "Bio"

Hassen MEFTEH
Etude et modélisation de l’influence des paramètres du procédé d’élaboration sur l’endommagement et la rupture de matériaux composites recyclés

Nyhal MEGHIREF
Vieillissement thermique de mélanges HNBR réticulés au peroxyde - Modélisation cinétique - Influence d’un hydrocarbure

Aïcha MIKDAM
Etudes des mécanismes de vieillissement de la zone soudée des tubes HDPE en présence de désinfectant

Eeva MOFAKHAMI
Caractérisation et modélisation de l'influence de l'environnement sur le comportement en fatigue d'un matériau thermoplastique renforcé de fibres de verre courtes soudé

Juan Sebastian MONTANA GARCIA
Architecture multi-échelle de matériaux polymères : de l’auto-assemblage à l’assemblage forcé

Tétiana SALIVON
Modélisation physico-chimique des matériaux constituant une architecture électrique automobile – Prise en compte du vieillissement lors du dimensionnement des faisceaux électriques

Juan Sebastian MONTANA GARCIAArchitecture multi-échelle de matériaux polymères : de l’auto-assemblage à l’assemblage forcé

Benjamin POMES
Vieillissement de résines composites polymérisées à haute température et sous haute pression pour la CFAO dentaire

Mohammadali SHIRINBAYAN
Modélisation du comportement des matériaux et structures en composites sous sollicitation couplée fatigue/crash

Peiyuan ZUO
Effect of thermo-oxidative aging on fatigue behavior of composite based on glass fibers and recycled thermoplastic matrics