Département TPCIM École des Mines de Douai CS 10838

Département TPCIM
École des Mines de Douai
CS 10838 - 59508 DOUAI Cedex, France
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e-Mail:
Prof. Jérémie Soulestin
+33(0)3 27 71 21 80
+33(0)3 27 71 29 81
[email protected]
Chercheurs impliqués :
Prof. Jérémie Soulestin
Dr. Prashantha Kalappa
Prof. Marie-France Lacrampe
Responsable du département : Prof. P. Krawczak
Présentation du Département
Le Département Technologie des Polymères et Composites & Ingénierie Mécanique de
Mines Douai, constitué d’une seule équipe pluridisciplinaire, poursuit deux objectifs
principaux dans ses missions de formation, de recherche (académique et finalisée, i.e.
partenariale et technologique) et de transfert de technologie. Il s’agit de :
I. L’optimisation de la mise en forme des matériaux et pièces industrielles en polymères et
composites (plasturgie), avec comme finalité une meilleure compréhension des
interactions entre les matériaux constitutifs, les paramètres de transformation (procédés
et outillages), les phénomènes physico-chimiques, thermo- mécaniques, rhéologiques
associés aux procédés de fabrication, la qualité et les performances des pièces
fabriquées, en intégrant leur cycle de vie ;
II. L’analyse du comportement des structures mécaniques, avec comme finalité la
conception fiabilisée et l’amélioration de la durabilité des pièces et structures, en tenant
compte de la technologie de fabrication, des sollicitations, de la microstructure du
matériau, de la géométrie et du milieu environnant.
Les matériaux et structures étudiés sont essentiellement organiques (polymériques). Pour des
besoins de fonctionnalisation, les matériaux polymères peuvent comporter plusieurs phases
présentes aux échelles nano et microscopiques, notamment pour donner naissance à des
matériaux hétérophasés organominéraux. Différentes matières premières minérales peuvent
être incorporées aux polymères afin de conférer aux pièces fabriquées certaines propriétés que
les polymères ne possèdent pas intrinsèquement. Dans une logique de réflexion scientifique
centrée sur les relations entre les propriétés d’usage et la microstructure des matériaux, l’effet
du procédé peut s’avérer primordial. La recherche d’amélioration d’une performance
fonctionnelle peut donc passer par une optimisation d’un procédé de mise en oeuvre de
matériaux mono- ou multiphasés.
Activité de recherche sur les nanocomposites à matrice polymère
Une partie des travaux de recherche menés dans le cadre de l’axe I est focalisée depuis une
dizaine d’année sur les nanocomposites polymères. L’équipe a mis au point des méthodes efficaces d’élaboration et de transformation de nanocomposites polymères à base de nanocharges
de natures diverses (argiles, nanotubes de carbone, graphène, halloysite, silice, talc…). Dans
le cadre de ces travaux deux thématiques ont plus particulièrement été approfondies :
I. Procédé d’extrusion assisté eau pour le contrôle de la dispersion de nanocharges.
Depuis une vingtaine d’année, la communauté scientifique a fourni des efforts
considérables pour proposer des voies efficaces d’élaboration de nanocomposites à
matrice polymère thermoplastique sans parvenir à résoudre totalement le problème de la
dispersion des nanocharges. Parmi toutes les voies d’élaboration envisagées, un procédé
particulièrement original a été développé reposant sur l’injection d’eau dans
l’extrudeuse au cours de l’élaboration, ceci afin d’améliorer la dispersion des
nanocharges hydrophiles. Ce procédé d’extrusion assisté eau imaginé originellement à
l’Université Catholique de Louvain (UCL, Belgique) avait laissé percevoir son potentiel
dans un passé récent. L’expérience acquise par l’équipe TPCIM sur les procédés
d’extrusion a permis de poursuivre les développements conjoints du concept avec l’UCL.
En particulier, les travaux menés dans le cadre d’une thèse co-dirigée (Thèse de
F. Touchaleaume) ont permis de démontrer :
1. L’efficacité de l’extrusion assisté eau pour disperser de l’argile non modifiée dans
des matrices polaires (PEBA, PA6) et apolaires (PP) ;
2. Son intérêt pour optimiser la voie plus classique d’élaboration basée sur
l’utilisation d’argile modifiée.
L’efficacité de ce procédé repose sur la miscibilité démontrée du polymère et de l’eau
dans les conditions de température et de pression imposées lors de l’extrusion. Dans ces
conditions, un effet cryoscopique est aussi observé, qui a pour conséquence notable de
permettre une réduction de la dégradation des polymères thermo-sensibles. Ce résultat
particulièrement prometteur en termes d’applications a fait l’objet d’un dépôt de brevet
conjointement entre l’UCL, l’équipe TPCIM de Mines Douai et la société ARKEMA. Des
travaux sont actuellement en cours afin d’améliorer la compréhension des mécanismes
physiques et mieux maitriser le procédé, ceci grâce a l'acquisition par le département
TPCIM d'un système dédié à l'extrusion assistée eau (extrudeuse à haut couple avec unité
d'injection de liquide sous pression). Enfin, ce même procédé est utilisé pour innover
dans les approches et apporter des éléments de compréhension sur diverses
problématiques :
1. Propriétés barrières des nanocomposites dans le cadre d’une collaboration
amorcée avec l’Univ. Rouen ;
2. Compatibilisation des mélanges de polymères.
Collaborations : Univ. Catholique de Louvain-La-Neuve (B); Pr. J. Devaux, M.
Sclavons; Univ. de Rouen, Pr. S. Marais, Dr. N. Follain; Nanocyl (B), Dr. M. Claes ;
Arkema, Dr. J.J. Flat et F. cc Malet.
II. Compatibilisation des mélanges intimes de polymères immiscibles par des
nanocharges. Au cours de la dernière décennie, un certain nombre de travaux publiés
dans la littérature scientifique a démontré le potentiel de compatibilisation des
nanocharges. Cependant, si l’effet est connu, son origine reste encore partiellement
comprise et la maîtrise de cette voie de compatibilisation imparfaite. L’équipe TPCIM a
contribué de manière significative à la compréhension des phénomènes physiques et
chimiques responsables de l’effet compatibilisant des argiles organomodifiées. En
particulier, le rôle du surfactant a pu être élucidé grâce à une approche originale
consistant à compatibiliser des mélanges avec le surfactant seul. Cette approche, outre
son intérêt en termes de compréhension, démontre également pour la première fois
l’intérêt des liquides ioniques, que sont les surfactants, pour compatibiliser les mélanges
de polymères immiscibles. Ces travaux, menés dans le cadre du projet NanoStructures
de l’Institut Carnot MINES (en collaboration avec Mines ParisTech), ont été poursuivis
dans le cadre d’un programme européen visant à valoriser les déchets plastiques par
élaboration de mélanges recyclés compatibilisés au moyen de nanocharges (projet
INTERREG NAVARE). Ils ont aussi fait l’objet de travaux prospectifs visant à :
1. Évaluer l’effet des argiles modifiées sur le processus de fibrillation lors de
l’élaboration de composites polymères/polymères ;
2. Élaborer des mélanges de polymères à architectures complexes contrôlées par
ajout de nanocharges.
Collaborations : Mines ParisTech, CEMEF, Dr. B. Vergnes, ETS Montréal (C), Pr. N.
Demarquette, Univ. Catholique de Louvain-La-Neuve (B); M. Sclavons; Materia Nova
(B), Pr. P. Dubois, Dr. F. Laoutid ; CREPIM, F. Poutch, S. Khelifi.