Ultrasound propagation in polymer melts and its use for the dispersion of layered nanoparticle in polymer during the extrusion process

Résumé

Cette thèse vise à mieux comprendre la propagation des ultrasons dans les polymères fondus, afin d'optimiser leur utilisation pour la dispersion des nanoparticules en couches lors du procédé d’extrusion. L’étude commence par l'examen de la propagation des ultrasons dans des fluides hautement visqueux. Elle analyse l'influence des gaz dissous et de la viscosité sur la propagation des ultrasons dans des fluides ayant une viscosité supérieure à 5 Pa.s. L'objectif est d'analyser si le streaming acoustique ou la cavitation prédominent dans ces conditions. À cette fin, l'application des ultrasons via une sonde ultrasonique dans du polydiméthylsiloxane, à la fois partiellement dégazé et non dégazé, a été étudiée pour trois viscosités différentes (5, 30 et 300 Pa.s), à l’aide d’une caméra optique. Une analyse de la vitesse a également été réalisée à l'aide de la méthode de vélocimétrie par imagerie de particules (PIV). Dans le cas de tous les fluides, la cavitation a été observée, étant plus marquée dans les fluides non dégazés. En revanche, le streaming acoustique a été principalement observé dans les fluides avec des viscosités proches de 5 et 30 Pa.s. De plus, la vitesse du fluide était plus élevée en présence de gaz. Pour le fluide ayant une viscosité proche de 300 Pa.s, la présence de gaz a entravé la propagation correcte de l'onde ultrasonore, empêchant ainsi la formation de streaming acoustique. L’étude se concentre ensuite sur l'impact des ultrasons sur la dispersion et l'exfoliation des nanoparticules en couches dans une matrice polymère lors de l’extrusion. Pour cela, du graphène, un matériau graphitique, ainsi que de l’argile ont été extrudés, à des concentrations variantes entre 2 et 22 % en poids (wt%) selon les particules, dans du polyéthylène à haute densité (PEHD). Une seconde extrusion a été réalisée sur les nanocomposites, avec ou sans assistance ultrasonique. Afin d’évaluer l’effet des ultrasons sur la dispersion des trois types de particules, différentes caractérisations ont été effectuées, telles que la rhéologie, l’imagerie, la diffraction des rayons X et la conductivité électrique. Les ultrasons ont permis de réduire la taille des agglomérats pour les trois types de particules, augmentant ainsi la viscosité à basse fréquence lorsque le taux de percolation a été atteint. Cependant, ce taux de percolation n’a pas été influencé par les ultrasons, ni l’exfoliation des particules. L’effet des ultrasons semble donc limité à la désagglomération des particules. La taille initiale des particules a toutefois un impact sur l’efficacité des ultrasons : une taille initiale plus grande permet une réduction plus importante des agglomérats par rapport à une petite taille initiale. Aucun effet du type de particule (graphène ou argile) n'a été observé sur l’efficacité des ultrasons. Ce travail constitue une première étape pour mieux comprendre la propagation des ultrasons dans les polymères fondus visqueux et viscoélastiques, ouvrant la voie à une extrusion assistée par ultrasons plus efficace, à une meilleure dispersion de nanoparticules et, plus largement, à l’optimisation des procédés de mise en forme des polymères. Les études futures pourront affiner ces avancées en explorant les seuils de viscosité, les conditions sous vide et l’optimisation du couplage entre la sonotrode et le polymère.

Date	2 déc. 2025
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Nicole R. Demarquette (Directeur(-trice)) & Éric David (Codirecteur(-trice))