Céline Vicard

Activités de recherche :

Etude et modélisation de la synthèse du polyamide 6 pour la mise en œuvre de composites thermoplastiques par
voie liquide réactive

 

L'utilisation de procédés de type voie liquide (RTM, LRI) pour
l'élaboration de composites thermoplastiques est une des voies prometteuses
pour pallier les limitations liées à  la haute viscosité des polymères
thermoplastiques. Pour cela, la matrice est obtenue par polymérisation in situ
de son monomère de faible viscosité après l'imprégnation du renfort fibreux.
Cette étude s'est focalisée sur le polyamide 6 (PA6) obtenu par polymérisation
anionique par ouverture de cycle
de
l’ε-caprolactame
. La
particularité de cette synthèse réside dans le couplage entre la polymérisation
des chaînes et leur cristallisation, qui sont des phénomènes tous deux
thermodépendants, exothermiques et régissant la viscosité du milieu réactif.

La caractérisation cinétique par DSC de ce couplage a permis une meilleure
compréhension de l’interaction des phénomènes, en révélant notamment une
cinétique de cristallisation particulière à  basse température. Cette base de
données, complétée par l'étude des propriétés physico-chimiques du PA6
synthétisé, a permis d’alimenter la modélisation des phénomènes. Un nouveau
couplage a ainsi été proposé pour rendre compte de la dépendance de la
cristallisation à  la cinétique de polymérisation et a permis d’éditer des
diagrammes Temps-Température-Transformation (TTT) de la synthèse du PA6. En vue
de la mise en œuvre de composites thermoplastiques, la simulation du couplage
thermocinétique avec un terme source a été réalisée afin de mesurer l'impact de
ces phénomènes exothermiques sur les gradients thermiques et cinétiques dans
l'épaisseur d'une pièce. Les cinétiques ont de plus été étudiées en présence de
fibres de verre et en rhéologie. La présence de fibres engendre un
ralentissement de la cinétique de synthèse et le comportement rhéocinétique
révèle l'existence d'un point de gel. Ces observations restent à  considérer
pour simuler l'écoulement du système réactif dans un renfort.

Mots clés : Système réactif thermoplastique, Couplage polymérisation/cristallisation,
Modélisation cinétiques, Simulation thermocinétique

 

 

Study and modeling of the polyamide 6 synthesis for liquid reactive processing of thermoplastic composites 


Liquid type processes (RTM, LRI)
for thermoplastic composites manufacturing is one of the most promising routes
to overcome the limitations due to the high viscosity of thermoplastic
polymers. In this process, the matrix is obtained via in situ polymerization of
its low-viscosity monomer after impregnation of the fibrous reinforcement. This
study focused on polyamide 6 (PA6) obtained by anionic ring-opening
polymerization of ε-caprolactam. The distinctive
aspect of this reaction resides in the coupling between chains polymerization
and their crystallization, both thermo-dependent, exothermic and driving the
viscosity of the reactive mixture.

The kinetic characterization of
this coupling by DSC allowed for a better understanding of phenomena interaction,
revealing notably a specific crystallization kinetic at low temperature. This
database, complemented by a study of physicochemical properties of synthesized
PA6, has been used to model the underlying phenomena. A new coupling equation
has been proposed to take into account the crystallization dependence on the
polymerization kinetic, allowing to edit Time-Temperature-Transformation (TTT)
diagrams of the PA6 synthesis. Simulations of the thermokinetic coupling with a
source term have been performed, highlighting the impact of these exothermic
phenomena on thermal and kinetic gradient in the thickness of a part. To
reproduce the conditions of the composite manufacturing process, kinetics have
also been studied in the presence of glass fibers and in a rheometer. The
presence of fibers leads to slower kinetics and the rheokinetic behavior
revealed gelation. These observations have to be considered to simulate the
reactive system flow in a reinforcement.

Keywords:
Thermoplastic reactive system, Polymerization/crystallization coupling,
Kinetics modeling, Thermokinetics simulation