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Elaboration and modeling of the cyclic behavior of shape memory polymers
No full textLe polyuréthane thermoplastique à mémoire de forme est un matériau "intelligent", réactif, capable de répondre à un stimulus thermique en déployant de grandes déformations et de retrouver ensuite sa forme initiale lors d’un cycle thermomécanique. Cette réversibilité totale est possible sur plusieurs cycles. Afin de Dimensionner un composant à mémoire de forme dans un système mécanique, un modèle de simulation numérique thermo-viscoélastique en grandes déformations de l’effet mémoire de forme est proposé. L’identification des paramètres de ce modèle est réalisée sur la base d’essais thermomécaniques (analyse mécanique dynamique DMA, traction-relaxation en température, recouvrements libres et contraints). La loi de comportement ainsi formulée, qui découple la contrainte hyperélastique et la contrainte viscoélastique, est programmée dans le logiciel de simulation numérique Comsol Multiphysics. Les résultats de la simulation montrent une très bonne concordance avec la réponse expérimentale du matériau au cours de plusieurs cycles de mémoire de forme. Afin d'améliorer les performances mécaniques statiques et dynamiques du polymère à mémoire de forme du polyuréthane thermoplastique (TPU), nous proposons d’ajouter des faibles pourcentages de nanotubes de halloysite (HNT) en utilisant un processus d’extrusion à l'état fondu avec du polyuréthane thermoplastique. Ce processus a induit une répartition homogène et une bonne dispersion de nanotubes dans toute la matrice TPU. Les essais mécaniques en tension ont démontré que la force et le module des nanocomposites augmentaient de manière significative avec l'ajout de halloysites sans perte de ductilité. En outre, les tests de mémoire cyclique en grande souplesse ont montré que les propriétés de la mémoire de forme, principalement la vitesse de récupération, étaient également améliorées. Nous avons, finalement, étudié l'effet de l’ajout des nanotubes sur les paramètres mécaniques du modèle proposé.The semi-crystalline thermoplastic shape memory polyurethane (TPU-SMPU) is a smart material which has the ability to return to its original shape after applying a large strain thermo-mechanical cycle when it is stimulated by heating. This smart material has the advantage of recovering even after more than 100% of strain during several thermo-mechanical cycles. To explore the performance of a smart component in a mechanical system, it is mandatory to master the prediction of its behavior through a numerical model. A constitutive model is, then, proposed to describe its thermo-mechanical behavior and to predict the shape memory response. Uniaxial tensile tests at small strain rates were performed at 60°C in order to analyze the hyper-elastic response for each cycle. Relaxation tests were carried out at the end of the previous tensile loading to highlight the viscoelastic response during the shape memory cycle. These experimental data were, then, used in a curve-fitting algorithm employing least-squares optimization approach in order to identify the parameters of the proposed model. At last, the shape memory effect was investigated by means of free and constrained recovery experiments. The proposed model was then implemented into Comsol Multiphysics. It predicts quite well the experimental results in all cycles. In order to assess its predictability, this model has, then, been applied to the design of 3D structures. Furthermore, the mechanical performance and the shape memory properties have been improved by the addition of halloysite nanotubes (HNTs) with different weight percentages of nanotubes contents using a melt extrusion process. This process induced a homogeneous distribution and a good dispersion of nanotubes throughout the TPU matrix. Mechanical tests in tension demonstrated that strength and modulus of the nanocomposites significantly increase with addition of halloysites without significant loss of ductility. Moreover, cyclic shape memory tests under large strain showed that shape memory properties, mainly the recovery speed, were also enhanced. Using a thermo-visco-hyperelastic model for shape memory polymers, we have investigated the effect of nanotubes addition on the mechanical parameters
Compounding of biodegradable polymer blends and nanocomposites with isolated soy proteins by extrusion
No full textLes protéines isolées végétales sont une source renouvelable de matière première, disponible en grande quantité. Malgré des propriétés mécaniques faibles par rapport aux polymères traditionnels, elles possèdent d’autres spécificités intéressantes comme leur biodégradabilité, leur filmabilité et leur absence de toxicité. Cette étude s’est focalisée sur l’influence du procédé d’élaboration, la compatibilité et l’ajout de nanocharges sur les propriétés de mélanges poly(butylène succinate - co - adipate)/protéines de soja isolées plastifiées (PBSA/PISP). Dans un premier temps, les protéines de soja sont plastifiées et mélangées au poly(butylène succinate - co - adipate), dans des proportions différentes et extrudées simultanément en une étape d’extrusion. Ensuite, l’effet de l’ajout du poly(2-éthyl-oxazoline) comme compatibilisant a été étudié. L’addition de ce compatibilisant permet d’améliorer l’interface et les propriétés thermiques. En outre, l’addition de nanotubes d’halloysite permet d’améliorer certaines propriétés mécaniques et thermiques. Enfin dans le cas de films préparés avec une composition PBSA/PISP égale (50/50), le compatibilisant améliore les propriétés optiques, tandis que l’ajout des nanotubes d’halloysite améliore les propriétés de barrière à la vapeur d’eau et retarde la dégradation du film enfoui dans un sol. L’ensemble des résultats donne de premières indications sur l’usage potentiel de ces films dans le domaine de l’emballage et éventuellement dans le biomédical.Vegetable isolated proteins are a renewable source of raw material, available in the large quantities. In spite of weak mechanical properties compared with the traditional polymers, they possess other important characteristics such as biodegradability, filmability and they are non-toxic. This study investigated the effect of processing type, compatibilization and addition of nanofillers on the properties of poly(butylene succinate-co-adipate)/plasticized isolated soy protein blends (PBSA/PISP). Initially, plasticizing and blending of soy protein with poly (butylene succinate-co-adipate) at various composition were carried out simultaneously in a single step extrusion. Then, the effect of adding poly(2-ethyl oxazoline) as compatibilizer has been studied. Addition of compatibilizer improves the interface and thermal properties of the blends. Besides, addition of halloysite nanotubes improves some mechanical and thermal properties. Finally, in the case of blend films prepared with equal PBSA/PISP composition (50/50), the compatibilizer increases the optical properties whereas addition of halloysite nanotubes improves the water vapour barrier properties and delay the degradation of blends as tested by soil buriel test. The overall results gives preliminary insights into potential usage of these films in packaging and possibly in biomedical sector
Role of Compatibilizer in Improving the Properties of PLA/PA12 Blends
No full textEngineering properties of partially-biobased poly(L-Lactide)/poly(amide-12) (PLA/PA12) blends are here addressed using a functional compatibilizer, namely poly(L-Lactide) grafted maleic anhydride (PLA-g-MA). PLA/PA12 blends with compatibilizers are processed using twin-screw extrusion, and the amount of PLA-g-PMA is here optimized with respect to final blend properties such as ductility, impact toughness, and thermal resistance. Blend morphologies depict the enhanced PA12 dispersion into PLA-g-MA with strong interfacial adhesion, in accordance with a compatibilization effect of PLA-g-MA in PLA/PA12 blends. Ductility of the compatibilized blends shows remarkable improvements with the highest ductility close to 290% for an optimized PLA/PA12/PLA-g-MA weight composition (respectively, 69/30/1). The impact strength of compatibilized blends showed a similar two-fold improvement for compatibilized blends. Morphology of injection molded samples revealed finer dispersion and stronger interfaces. The morphology of the transversal section displayed fibrillation of PA12 for PLA-g-MA content up to 2 wt.%. Fibrillation and lower droplet size seemed to play a key role in the improvement of ductility in compatibilized blends. Considerable synergy was detected in the dynamic mechanic analysis of the compatibilized blends. The thermal resistance of the PLA/PA12 blends showed improvement, and this behavior could be due to the formation of copolymer leading to additional interfacial crystallization. This study consequently indicates that PLA-g-MA is an efficient compatibilizer for partially biobased PLA/PA12 blends with potential applications in the automotive and electronic industry. © Copyright © 2020 Raj, Samuel and Prashantha
Studies on thermal behavior, moisture absorption, and biodegradability of ginger spent incorporated polyurethane green composites
No full textDéveloppement de mélanges PLA/PA biosourcés avec des interfaces et des propriétés thermomécaniques améloirés pour applications hautes performances
No full textL’objectif principal de cette thèse est d’améliorer les propriétés (thermo)mécaniques de l’acide polylactique (PLA) biosourcé pour atteindre des applications hautes performances/durables. Les mélanges avec des polymères techniques sont des approches efficaces pour améliorer ces propriétés et les polyamides (PA) ont été sélectionnés pour être mélangés avec du PLA en raison de leur ductilité élevée, de leur résistance aux chocs élevée, de leurs résistances thermiques élevées associées à une production potentielle à partir de matières premières renouvelables. Divers polyamides biosourcés tels que le polyamide10-10, le polyamide10-12, le polyamide11 et le polyamide12 ont été mélangés avec du PLA par extrusion bivis. Des caractérisations approfondies (morphologie, rhéologie, tension superficielle, tests mécaniques et propriétés thermiques) ont été effectuées sur les mélanges PLA / PA pour évaluer le polyamide le plus approprié pour le PLA. Le polyamide12 (PA12) s’est révélé être le candidat idéal pour les PLA avec une tension interfaciale PLA/PA12 faible, une très bonne dispersion du PA12 dans le PLA et des propriétés (thermo)mécaniques améliorées pour les mélanges PLA / PA12 par rapport aux autres mélanges PLA/PA (ductilité et résistance aux chocs supérieures avec augmentation significative de la résistance thermique). Afin d’améliorer ces propriétés (thermo)mécaniques, deux stratégies différentes ont été tentées, à savoir la compatibilisation avec un PLA greffé anhydride maleique (PLA-g-MA) et l’optimisation des paramètres d’extrusion. Dans la stratégie de compatibilisation classique, le PLA-g-MA a été incorporé en tant que compatibilisant dans les mélanges de PLA/PA12 et la teneur en PLA-g-MA a été optimisée vis-à-vis des diverses propriétés morphologiques et (thermo)mécaniques. Il a été observé que 1 à 2 % de PLA-g-MA induit des améliorations significatives de la ductilité, de la résistance au choc et de la résistance thermique du mélange PLA/PA12. La dernière stratégie implique l’optimisation des paramètres d’extrusion tels que la vitesse de la vis et le débit massique d’alimentation. Les mélanges de PLA/PA12 ont été extrudés à différentes vitesses de vis (200 à 1100 tr/min) et le débit massique d’alimentation (2 à 5kg/h) sur une ligne d’extrusion bivis pilote. La vitesse de la vis a un impact profond sur les propriétés du mélange. Les meilleures propriétés (thermo)mécaniques ont été obtenues pour une vitesse de vis optimale de 800 tr/min suivie d’une détérioration considérable des propriétés du mélange à une vitesse de vis extrême. Ces effets sont discutés en fonction de la génération de structures PA12 fibrillaires et de la dégradation macromoléculaire du PLA au cours de l’extrusion à fort cisaillement. En conclusion, des améliorations remarquables des propriétés (thermo)mécanique ont été obtenues en mélangeant du PLA avec du PA12. Parmi les stratégies utilisées pour améliorer ces propriétés, l’optimisation des paramètres d’extrusion représente une approche rentable par rapport à la compatibilisation classique. Les mélanges de PLA/PA12 pourraient donc constituer des candidats potentiels pour remplacer leurs homologues à base de ressources pétrolières utilisés dans les applications à hautes performances, en particulier les applications de type boîtier électronique.The major objective of this thesis is to enhance the (thermo)mechanical properties of biobased poly(lactic acid) (PLA) to reach high performance/durable applications. Polymer blending with engineering polymers is an effective approach to improve these properties and polyamides (PA) were selected for blending with PLA due to their inherent high ductilities, high impact toughnesses, high thermal resistances coupled with a potential production from renewable feedstocks. Various biobased polyamides such as polyamide10-10, polyamide10-12, polyamide11 and polyamide12 were blended with PLA in a twin-screw extruder. Thorough characterizations such as morphology, rheology, surface tension, mechanical testing and thermal properties of PLA/PA blends were performed to assess the apt polyamide for PLA. Polyamide12 (PA12) was found to be the ideal candidate for PLA with a low PLA/PA12 interfacial tension, very good PA12 dispersion into PLA and enhanced (thermo)mechanical properties for PLA/PA12 blends compared to other PLA/PA blends (higher ductility and impact strength with significant increase in thermal resistance). To further enhance (thermo)mechanical properties, two different strategies were attempted namely compatibilization with a reactive PLA-graft-maleic anhydride (PLA-g-MA) and optimization of the extrusion processing parameters. In the former classical compatibilization strategy, PLA-g-MA was incorporated as a compatibilizer in PLA/PA12 blends and PLA-g-MA content was optimized with respect to various properties such as morphology and (thermo)mechanical. It was observed that 1 – 2 wt.% PLA-g-MA could induce significant improvements of the PLA/PA12 ductility, impact strength and thermal resistance. The latter strategy involved the optimization of extrusion parameters such as screw speed and feed rate. PLA/PA12 blends were extruded at various screw speeds (200 - 1100rpm) and feed rate (2 - 5kg/hr) on a pilot twin-screw extrusion line. The screw speed has a profound impact on the blend properties. The best (thermo)mechanical properties were archieved for an optimal screw speed of 800 rpm followed by a dramatic deterioration of the blend properties at extreme screw speed. Such effects are discussed based on the generation of fibrillary PA12 structures and PLA macromolecular degradation during high shear extrusion. In conclusion, remarkable improvements in (thermo)mechanical properties were achieved by blending PLA with PA12. Amongst the strategies employed to further enhance the properties, the optimization of extrusion parameters represent a cost-effective approach compared to classical compatibilization. PLA/PA12 blends could be a potential candidate for the replacement of petrosourced counterparts used in high-performance applications, in particular electronic casing applications
Effect of chain extender on structural and mechanical properties of poly(butylene succinate‐co‐adipate)/halloysite nanotube bionanocomposites
No full textMorphologies, Compatibilization and Properties of Immiscible PLA-Based Blends with Engineering Polymers: An Overview of Recent Works
No full textPoly(L-Lactide) (PLA), a fully biobased aliphatic polyester, has attracted significant attention in the last decade due to its exceptional set of properties, such as high tensile modulus/strength, biocompatibility, (bio)degradability in various media, easy recyclability and good melt-state processability by the conventional processes of the plastic/textile industry. Blending PLA with other polymers represents one of the most cost-effective and efficient approaches to develop a next-generation of PLA-based materials with superior properties. In particular, intensive research has been carried out on PLA-based blends with engineering polymers such as polycarbonate (PC), poly(ethylene terephthalate) (PET), poly(butylene terephthalate) (PBT) and various polyamides (PA). This overview, consequently, aims to gather recent works over the last 10 years on these immiscible PLA-based blends processed by melt extrusion, such as twin screw compounding. Furthermore, for a better scientific understanding of various ultimate properties, processing by internal mixers has also been ventured. A specific emphasis on blend morphologies, compatibilization strategies and final (thermo)mechanical properties (tensile/impact strength, ductility and heat deflection temperature) for potential durable and high-performance applications, such as electronic parts (3C parts, electronic cases) to replace PC/ABS blends, has been made
Highly dispersed polyamide-11/halloysite nanocomposites: Thermal, rheological, optical, dielectric, and mechanical properties
No full textInternational audienc
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