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Oct 19, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 5701 (2022) Citer cet article

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Les polymères et composites thermoplastiques sont omniprésents dans l’industrie pour leurs capacités de remodelage et de fusion à des températures élevées. La qualité des interfaces thermoplastiques fusionnées à chaud est d’une grande préoccupation pour les applications d’adhésion, de revêtement et de soudage, en particulier celles entre matériaux différents. L'évolution cinétique des microstructures définit les performances mécaniques des interfaces thermoplastiques thermofusionnées, qui sont étudiées ici en prenant comme exemple le polyéthylène et le polypropylène. Des facteurs clés tels que la viscosité et la compatibilité des polymères ainsi que le temps et la température de fusion sont discutés en combinant des simulations au niveau moléculaire et des expériences de compression à chaud au niveau structurel. L'inter-diffusion et l'enchevêtrement des chaînes polymères sont identifiés comme les deux étapes cinétiques élémentaires de la fusion, qui dominent respectivement le contrôle de la rigidité et de la résistance des interfaces. Les données expérimentales montrent que la qualité des interfaces fusionnées peut être améliorée en réduisant la viscosité et le paramètre d'interaction. En suivant le même ensemble de relations d'échelle de temps que celles identifiées dans les simulations, les caractéristiques en deux étapes et leurs effets sur la rigidité et la résistance sont validés expérimentalement. Les résultats de la simulation et de l'expérience montrent que le module de Young des interfaces fusionnées se rétablit plus rapidement que la résistance qui est contrôlée dans une large mesure par l'enchevêtrement du polymère, plutôt que par la diffusion. Ces résultats ajoutent des informations sur la conception des processus de fusion, ouvrant la voie aux applications des polymères et composites thermoplastiques.

Les plastiques et leurs composites sont l’un des matériaux synthétiques les plus utilisés au monde, avec plus d’un tiers de milliard de tonnes de production mondiale chaque année1,2,3,4. Apparus pour la première fois au début du XXe siècle et utilisés commercialement seulement dans les années 1950, les produits en plastique connaissent une croissance extraordinaire, en particulier sur le marché de l'emballage2, des produits électriques et électroniques5, des bâtiments et des constructions, des textiles, des transports et des équipements médicaux6. Les exigences élevées en matière de produits en plastique réutilisables, sûrs, économiques et fonctionnels accélèrent l’évolution des technologies de transformation du plastique. Contrairement aux polymères thermodurcissables, les thermoplastiques sont pratiques pour leurs capacités de remodelage et de recyclage, ce qui en fait des candidats idéaux pour des applications émergentes dans les adhésifs7, les revêtements8 et les matériaux de fabrication additive9,10, ainsi que les composants structurels11,12. La fusion thermique ou soudage thermique des thermoplastiques est un moyen courant d'assembler des pièces polymères, où deux surfaces sont mises en contact étroit au-dessus de leur température de transition vitreuse, \(T_{\mathrm{g}}\), permettant une inter-diffusion sur une période du temps, t13. La fusion des thermoplastiques a attiré une attention particulière en raison de la nécessité d'interfaces régénérées hautes performances dans les polymères ou les composites9,14,15.

De nombreux efforts ont été consacrés à la compréhension de l’évolution microstructurale aux interfaces thermoplastiques et à sa corrélation avec leurs performances mécaniques. Dans les études théoriques, le mouvement diffusif des chaînes de polymères est généralement supposé être contraint dans les tubes initiaux16. Un modèle de reptation a ensuite été utilisé pour calculer la croissance des interfaces de fusion entre polymères identiques ou compatibles, donnant une relation d'échelle entre l'épaisseur (h) et le temps de fusion (t) avant que l'équilibre ne soit établi17, c'est-à-dire \(h(t )\sim t^{1/2}\). Ce modèle prédit également la force des interfaces en fonction de t et du poids moléculaire (M) comme \({\sigma }_{\mathrm{s}}\sim t^{1/4}M^{\alpha }\ ), où \(\alpha = -1/4\) dans le temps de renouvellement du tube \(T_{\mathrm{r}}\), et \(-3/4\) pour \(T > T_{\mathrm {r}}\)17. La dynamique microscopique de diffusion et de randomisation est prise en compte dans ce modèle. Pour les interfaces entre deux polymères non miscibles, Helfrand et Tagami18,19 ont estimé la limite supérieure de l'épaisseur interfaciale en suivant l'équation de mélange de Flory-Huggins, qui est proportionnelle à \({\chi }^{-1/2}\). Ici \(\chi\) est le paramètre d'interaction entre les deux polymères. Les théories de fusion susmentionnées sont limitées aux polymères amorphes à l'état fondu ou au-dessus de la température de transition vitreuse, \(T_{\mathrm{g}}\). Comme le montrent Boiko et al.20, la théorie développée pour les polymères amorphes ne s'applique pas aux polymères semi-amorphes au voisinage de \(T_{\mathrm{g}}\), comme dans le moulage par injection9 et la fabrication additive de polymères10. Un cadre multiphysique intégrant les processus de transfert de chaleur, de transport de masse et de cristallisation est développé pour modéliser la complexité sous-jacente de la fusion21. Cependant, l'image au niveau moléculaire derrière la relation d'échelle, les étapes cinétiques clés telles que la diffusion et l'intrication, et la signification physique de \(T_{\mathrm{r}}\) ne sont pas résolues. Les effets des conditions de fusion sur les performances mécaniques des interfaces polymères ne sont pas non plus bien clarifiés.