Identification des propriétés thermophysiques des matériaux polymères et composites en cours de transformation

Rita Moussallem$^{1,\star}$, Elissa El Rassy$^{1}$, Jalal Faraj$^{2}$, Ahmad Al Takash$^{2}$, Nicolas Lefevre$^{1}$, Jean-Luc Bailleul$^{1}$
$^{\star}$ : rita.moussallem@univ-nantes.fr
$^{1}$ Nantes Universite – UMR CNRS 6607 - Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes – Rue Christian Pauc – 44300 Nantes Cedex 3
$^{2}$ Energy and Thermofluid Group, The International University of Beirut BIU, Beirut P.O. Box 146404
Mots clés : Propriétés thermophysiques, Thermoplastique, Cristallisation, Méthode Inverse, Optimisation
Résumé :

La maîtrise de la qualité des produits industriels nécessite de connaitre de façon très fine le comportement des matériaux durant les différentes phases de fabrication. Ainsi, la modélisation précise des transferts thermiques durant les procédés de fabrication est indispensable. Cependant, cette modélisation exige une connaissance et une caractérisation fidèle des propriétés thermophysiques des matériaux telles que la conductivité thermique, la chaleur spécifique et le volume spécifique, durant les étapes de production et les transformations subies par le matériau.

Actuellement, ces propriétés sont bien identifiées à l’état solide mais leurs mesures à l’état liquide (pour les polymères thermoplastiques) et en cours de transformation sont moins voire pas maîtrisées. L’objectif principal de cette communication est de contribuer à une compréhension claire de l’influence des conditions physiques et thermiques de mise en œuvre de polymères et composites thermoplastiques sur l’évolution de leurs propriétés thermophysiques. Ces transformations correspondent principalement à la cristallisation, à la fusion de la partie cristalline et à la transition vitreuse de la partie amorphe.

La procédure retenue consiste à identifier les propriétés thermophysiques inconnues, sans leur imposer un modèle de variation, en s’appuyant sur des mesures expérimentales. Une étude de sensibilité est réalisée pour vérifier la faisabilité de l’identification simultanée des paramètres ainsi que pour identifier les conditions optimales de cette estimation. Cette étude contribuera à la réalisation d’un banc expérimental au niveau duquel des capteurs (thermocouples, capteur de flux de chaleur) seront implémentés pour mesurer la réponse thermique des matériaux subissant des transformations dans des conditions industrielles réalistes. Le principe de la méthode inverse consiste à minimiser l’écart entre les mesures expérimentales et les résultats numériques obtenus à partir d’un modèle développé en différences finies. Un algorithme d’optimisation hybride combinant une méthode stochastique avec une méthode déterministe est adopté pour identifier les propriétés inconnues. Les variations de température et de flux de chaleur captées durant le changement de phase du matériel sont implémentées dans l’algorithme d’identification pour estimer les paramètres thermiques. Les résultats obtenus permettent ainsi de décrire la variation des propriétés thermophysiques en fonction de deux champs : la température T et la cristallinité relative $\alpha$.

Le thermoplastique sélectionné dans le cadre de ce travail est un polymère biosourcé et biodégradable qui est l’acide polylactique (PLA). Afin d’appliquer la méthode inverse développée sur ce polymère, une étude calorimétrique de sa cristallisation a été réalisée afin de déterminer sa cinétique de cristallisation, la morphologie de ses cristaux et sa stabilité thermique.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-020

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