Céline Vicard




Doctorant à l'Ecole Nationale Supérieure des Mines d'Albi-Carmaux (Mines Albi)
Membre du groupe Matériaux et Structures Composites (MSC)



Activités de recherche

Mise en œuvre de composites thermoplastiques par voie liquide réactive : expérimentation et modélisation

 

Résumé

Les composites thermoplastiques sont connus pour offrir certains avantages comparés aux thermodurcissables, comme une meilleure ténacité, leur recyclabilité et des possibilités de reformage et soudage. Cependant la très haute viscosité de la matrice nécessite des semi-produits complexes et coûteux et limite les procédés classiques par fusion en termes de géométrie de pièce et de temps de cycle.

Depuis quelques années, des études s’orientent vers l’introduction de procédés de type voie liquide (RTM, infusion) pour l’élaboration de composites thermoplastiques. Pour cela, la matrice est obtenue par polymérisation in-situ de son monomère de faible viscosité dans un renfort fibreux après imprégnation. 

Les travaux se sont focalisés sur le polyamide 6 (PA6) obtenu par polymérisation anionique par ouverture de cycle du ε-caprolactame. La particularité de cette réaction réside dans le couplage possible entre la polymérisation des chaînes et  leur cristallisation selon la température appliquée. Ces phénomènes, tous deux exothermiques, peuvent conduire à une mauvaise santé matière (réaction non totale, retrait, porosité). Ils doivent aussi être couplés au processus d’imprégnation (évolution rhéologique) et de contact avec le renfort fibreux (compatibilité, interaction).

Ainsi la compréhension de ces mécanismes est un point crucial pour maîtriser ce type de procédé. La thèse a donc pour objectif l’édition d’outils tels que les diagrammes Temps-Température-Transformation (TTT) et les diagrammes d’isoviscosité, grâce à une étude expérimentale couplée à la modélisation. Cette dernière permet ensuite d’inclure les cinétiques des mécanismes dans une simulation globale du procédé par voie liquide.

 

 

 Reactive thermoplastic composite manufacturing : experiment and modelling


Abstract

Thermoplastic composites are known to offer substantial advantages over thermoset ones, like a higher toughness, recyclability, possibilities of subsequent reshaping and weldability. However the very high viscosity of polymers involves the use of complex and expensive semi-finished products and limits classical melting based processes in term of geometric complexity and cycle time.

In recent years, studies have focused on liquid processes (RTM, infusion) for thermoplastic composites manufacturing. For this purpose, the matrix is obtained by in situ polymerization of its low-viscosity monomer through a fibrous structure after impregnation. 

The thesis work focus on polyamide 6 (PA6) obtained by anionic ring-opening polymerization of ε-caprolactam. The particularity of this reaction is the possible coupling between the chains polymerization and their crystallisation depending of the applied temperature. These phenomena, both exothermic, can lead to a final poor quality material (incomplete reaction, shrinkage, porosity). They have to be also coupled with the impregnation process (rheological behaviour) and the contact with the fibres (compatibility, interaction).

Therefore, the global understanding of these mechanisms is mandatory for a proper control of the liquid reactive process. The aim of the PhD thesis is to edit tools such as Time-Temperature-Transformation (TTT) diagrams and isoviscosity diagrams, thanks to an experimental study coupled to modelling. This later allows then to include kinetics of mechanisms in a global simulation of the liquid reactive process.

 













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