L'objectif de cette thèse est d'analyser le couplage entre les transferts thermiques et la cinétique de cristallisation lors de la solidification d'un polymère semi-cristallin, le polypropylène. Nous avons choisi d'effectuer cette analyse pour différents domaines de vitesse de refroidissement. Tout d'abord, nous considérons des vitesses modérées comparables à celles qui prévalent dans l'appareil de caractérisation des cinétiques de cristallisation (DSC). Nous abordons ensuite le cas de vitesses importantes qui sont celles du procédé d'injection où le polymère chaud est mis en contact brusque avec le moule froid. Après avoir brièvement décrit les polymères, leur procédé de mise en forme et les cinétiques de cristallisation, nous présentons les limites de la caractérisation de la cinétique par DSC. Le deuxième chapitre s'applique à la mise en oeuvre expérimentale et à la modélisation du couplage des transferts thermiques avec une cinétique de cristallisation pour les deux configurations que nous avons retenues dans lesquelles les transferts de chaleur sont 1-D...

Un des enjeux majeurs de la simulation du procédé d’injection est la prédiction des retraits et des déformations dans la phase de maintien et dans la phase de refroidissement des pièces. Ce travail de thèse s’est inscrit dans ce contexte avec pour objectif de mieux comprendre les phénomènes thermiques régissant la solidification de pièces injectées en polymère semi-cristallin chargé de fibres de verre .En effet, la cristallisation de ce type de matériaux est une réaction exothermique et ce changement d’état influence fortement les propriétés thermiques des matériaux ainsi que les conditions aux parois. Dans cette optique, la caractérisation et la modélisation des propriétés thermiques des matériaux étudiés ont été effectuées. La conductivité thermique a fait l’objet d’une analyse approfondie à travers la validation d’un modèle de prédiction prenant en compte l’anisotropie induite par l’orientation des fibres. Une étude expérimentale a également permis de valider les modèles thermiques de cristallisation et de transfert. Enfin, l’effet de la cristallisation sur les transferts de chaleur a été mis en évidence, d’une part dans des conditions de refroidissement rapide sans cisaillement et, d’autre part dans des conditions industrielles. Les conditions d’interface ont été analysées notamment grâce notamment à l’évaluation d’une résistance thermique de contact.

Une description précise des transferts de chaleurs est indispensable dans la simulation et l'optimisation de procédés, la qualité des pièces thermoplastiques semi-cristallines étant fortement liée à l'histoire thermique pendant la mise en forme. Cela requiert de connaître précisément les propriétés thermophysiques du polymère pour obtenir des résultats fiables. L’objectif de ce travail est de développer des dispositifs expérimentaux associés à des méthodes d’identifications afin de mesurer les propriétés thermiques et la cinétique de cristallisation du polymère dans les conditions de mise en oeuvre. Une première étude expérimentale a permis de mettre au point un protocole de mesure et d’identification des propriétés thermiques ainsi que la cinétique de cristallisation de polypropylène par méthodes inverses sous faible pression et à faible vitesse de refroidissement. En parallèle, un nouvel appareil PvT fonctionnant jusqu’à 400°C et 200 MPa a été conçu et validé expérimentalement. La conductivité thermique et la cinétique de cristallisation ont été mesurées sous forte vitesse de refroidissement et sous forte pression. Un capteur de luminance combinant une fibre optique et un photodétecteur a été installé sur un banc expérimental du laboratoire pour mesurer la température de surface d'un polypropylène et ainsi identifier sa cinétique de cristallisation en refroidissement très rapide. Le capteur a ainsi été calibré et validées expérimentalement. La dernière partie traite du procédé d’injection thermoplastique en présentant une méthodologie d’identification de la cinétique de cristallisation à partir de la mesure de pression.

Polymeric crystals are more complex in nature than other materials' crystal structures due to significant structural disorder present. The only comprehensive reference on polymer crystallization, Handbook of Polymer Crystallization provides readers with a broad, in-depth guide on the subject, covering the numerous problems encountered during crystallization as well as solutions to resolve those problems to achieve the desired result. Edited by leading authorities in the field, topics explored include neat polymers, heterogeneous systems, polymer blends, polymer composites orientation induced crystallization, crystallization in nanocomposites, and crystallization in complex thermal processing conditions.

L’objectif de ces travaux est d’étudier l’influence de la pression et du cisaillement sur la cinématique de cristallisation des polymères. La cinétique de cristallisation du polypropylène au repos a été étudiée par calorimétrie. Ses paramètres ont été identifiés en utilisant le modèle cinétique de ‘Schneider’ et la méthode d’estimation des paramètres de ‘Levenberg-Marqardt’. L’effet de la pression sur la cinétique de cristallisation a été pris en compte en considérant que la température de fusion thermodynamique du polymère augmente avec la pression. Pour étudier ce phénomène, une modélisation du refroidissement isochore d’une plaque en polypropylène est alors réalisés. Ce modèle tient compte du couplage fort entre les transferts thermiques, la cinétique de cristallisation et le comportement thermodynamique du polymère. Pour l’étude de la cristallisation du polypropylène sous cisaillement, un modèle a été développé basé sur deux hypothèses : la prise en compte de l’effet de la cristallisation sur la viscosité en se basant sur les principes de la théorie des suspensions concentrées ; et la dépendance du nombre des germes induits, au cisaillement et au taux de cisaillement. L’étude de la cristallisation isotherme a montré que l’effet de la vitesse de cisaillement sur le taux de transformation est beaucoup plus important à hautes températures. Pour des basses températures cet effet est négligeable devant l’effet thermique. En refroidissement homogène, l’effet du cisaillement est moins pertinent sous des cinétiques de refroidissement élevées. Pour des faibles cinétiques de refroidissement l’effet du cisaillement devient plus prépondérant par rapport à l’effet thermique.

En plasturgie, la maîtrise de la régulation thermique des outillages apparaît aujourd’hui comme une des composantes essentielles de l’amélioration de la productivité des procédés et de la qualité des produits. S’inscrivant dans le contexte du développement d’outils numériques dédiés à l’optimisation de la « fonction refroidissement » des outillages, ce travail répond à deux besoins. Le premier est la nécessité de disposer d’un modèle précis du comportement thermique des polymères semi-cristallins au cours du refroidissement et de l’influence de cette phase sur la microstructure du matériau, conditionnant ses propriétés finales. Un modèle numérique de la cristallisation d’un polymère soumis à un écoulement anisotherme est développé. Le 1er invariant du tenseur des extra-contraintes, représentative du comportement rhéologique viscoélastique du matériau, est considérée comme la force motrice d’une germination additionnelle s’ajoutant à la germination induite par la thermique. La croissance de ces germes est décrite par deux systèmes d’équations de Schneider. Le modèle est ensuite appliqué la cristallisation d’un polypropylène isotactique dans un écoulement de cisaillement (écoulement de Couette). Les effets thermiques et rhéologiques sur la cristallisation sont alors quantifiés en termes d’accélération de la cinétique et de répartition morphologique finale (type, densité et tailles moyennes des cristallites). D’autre part, l’optimisation des performances thermiques des outillages fait appel à des techniques de mesure du transfert de chaleur précises, fiables et adaptées aux contraintes du procédé, dans le but d’alimenter et de valider les simulations numériques. Une technologie innovante d’instrumentation thermique est mise en œuvre sur un moule d’injection, sous forme d’un insert fluxmétrique, afin d’évaluer localement les transferts de chaleur entre le polymère et l’outillage. L’influence des conditions d’injection sur la réponse du capteur est analysée. Les « signatures thermiques » du procédé ainsi obtenues permettent de valider un modèle simplifié des transferts thermiques lors de la phase de refroidissement.