{"id":{"repo_id":"sherbrooke","oai_identifier":"oai:usherbrooke.scholaris.ca:11143/12350"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/sherbrooke/oai:usherbrooke.scholaris.ca:11143/12350","repository":{"repo_id":"sherbrooke","name":"Université de Sherbrooke","base_url":"https://usherbrooke.scholaris.ca/server/oai/request"},"display":{"title":"Study of Polyethylene Crystallization","abstract":"Dans l'industrie, les produits finis en plastique sont fabriqués par diverses techniques de traitement telles que le moulage par compression, le moulage par injection, le moulage par soufflage, l'extrusion, etc. Ces opérations impliquent l'exposition de résines polymères à de nombreux conditions telles que la température, pression, contrainte, etc. Certaines conditions sont connues pour affecter la nature de la structure cristalline des polymères semi-cristallins qui est contrôlée par des mécanismes de cristallisation. Pour un matériau tel que le polyéthylène (PE), la structure de la chaîne polymère influence la morphologie et la cristallinité. Les nanocristaux de PE ont attiré une attention considérable en raison des applications potentielles dans la technologie et de leurs propriétés fascinantes qui sont différent clairement des leurs matériaux en vrac correspondants. Il existe plusieurs méthodes pour déterminer la cristallinité du polymère, mais la plupart d'entre elles sont destructrices et fournissent des informations ponctuelles. Elles nécessitent également souvent un temps de manipulation important, tandis que les expériences sur des objets à l'échelle nanométrique sont souvent restées avec une grande incertitude en raison de la difficulté de produire et de manipuler ces objets à des échelles de longueur inférieures à 10 nm. Pour ces raisons, les méthodes de calcul sont considérées comme des outils parfaits pour mieux comprendre ces observations expérimentales. La finalité de cette étude vise à révéler l'effet des conditions environnementales sur la température de fusion des nanocristaux de chaînes alcanes en utilisant tant des simulations de dynamique moléculaire afin de représenter au mieux des composés réels ainsi que des techniques expérimentales pour étudier les conditions de traitement sur leur tension interfaciale. Il a été montré que la loi de Gibbs-Thomson peut être reproduite, car cette loi dévoile une relation linéaire entre la température de fusion et l'inverse de l'épaisseur du cristal. Pour révéler efficacement l'impact des conditions environnementales sur le comportement de fusion PE, un nanocristal composé de chaînes d'alcane est incorporé dans une phase amorphe. Finalement, l'étude du comportement de fusion et de cristallisation des polymères sous haute pression a un intérêt fondamental pour la compréhension de la structure du polymère. Suite à notre travail sur le nanocristal chaînes d'alcane, nous avons calculé la valeur de la tension interfaciale à différentes pressions pour explorer l'effet de ce paramètre sur la température de fusion et la tension interfaciale de ce matériau. Plus précisément: a) Nous avons démontré que la température de fusion augmente et la tension interfaciale diminue, en comparant les résultats obtenus avec des chaînes d'alcanes nanocristal incorporées dans une phase amorphe avec un nanocristal isolé. Cela peut se révéler grâce au comportement du déplacement quadratique moyenne d'une particule près de la surface du cristal dans les deux systèmes (chaînes d'alcanes nanocristal incorporées dans une phase amorphe avec un nanocristal isolé). Les interactions entre les monomères non liés dans nanocristal chaînes d'alcane et alcanes dans la phase amorphe diminuent la mobilité des chaînes dans le cristal conduisant à une température de fusion plus élevée et une tension interfaciale plus faible. b) Il a été montré que l'augmentation de la pression entraîne une diminution de la tension interfaciale, ce qui peut s'expliquer par une diminution de l'énergie libre de Gibbs. De plus, en comparant les expériences et les données de simulation, nous obtenons une correspondance précise qu'en augmentant la pression, le point de fusion des échantillons augmentera aussi. Dans la partie expérimentale, l'effet de la température du moule, de la pression du moule, du taux de refroidissement et du profil de température sur les propriétés thermiques et mécaniques des échantillons sont étudiés. Les résultats confirment que pour des échantillons symétriques (température de moulage uniforme), une température de fusion, les modules de flexion et de traction plus élevées découlent d'une augmentation de la pression et la température de moulage, tout en diminuant la vitesse de refroidissement. D'autre part, pour les échantillons asymétriques où le gradient de température est appliqué lors du moulage, le module de traction et de flexion ne dépend pas seulement de la différence de température, mais aussi de la température moyenne entre les plaques supérieure et inférieure de la presse à mouler par compression. On observe que les modules de traction et flexion les plus élevés sont obtenus pour la température la plus basse sur les deux plaques. Ce comportement peut être clairement révélé en utilisant le rapport de module de flexion qui représente la valeur mesurée lorsque la charge est appliquée sur les côtés supérieure et inférieure (Eb / Eu). Enfin, il a été montré que l'augmentation de la pression de moulage entraîne une tension interfaciale la plus basse qui peut s'expliquer par une diminution de l'énergie libre de Gibbs pendant la cristallisation. Ce résultat a également confirmé les données de simulation.","abstract_html":"Dans l'industrie, les produits finis en plastique sont fabriqués par diverses techniques de traitement telles que le moulage par compression, le moulage par injection, le moulage par soufflage, l'extrusion, etc. Ces opérations impliquent l'exposition de résines polymères à de nombreux conditions telles que la température, pression, contrainte, etc. Certaines conditions sont connues pour affecter la nature de la structure cristalline des polymères semi-cristallins qui est contrôlée par des mécanismes de cristallisation. Pour un matériau tel que le polyéthylène (PE), la structure de la chaîne polymère influence la morphologie et la cristallinité. Les nanocristaux de PE ont attiré une attention considérable en raison des applications potentielles dans la technologie et de leurs propriétés fascinantes qui sont différent clairement des leurs matériaux en vrac correspondants. Il existe plusieurs méthodes pour déterminer la cristallinité du polymère, mais la plupart d'entre elles sont destructrices et fournissent des informations ponctuelles. Elles nécessitent également souvent un temps de manipulation important, tandis que les expériences sur des objets à l'échelle nanométrique sont souvent restées avec une grande incertitude en raison de la difficulté de produire et de manipuler ces objets à des échelles de longueur inférieures à 10 nm. Pour ces raisons, les méthodes de calcul sont considérées comme des outils parfaits pour mieux comprendre ces observations expérimentales. La finalité de cette étude vise à révéler l'effet des conditions environnementales sur la température de fusion des nanocristaux de chaînes alcanes en utilisant tant des simulations de dynamique moléculaire afin de représenter au mieux des composés réels ainsi que des techniques expérimentales pour étudier les conditions de traitement sur leur tension interfaciale. Il a été montré que la loi de Gibbs-Thomson peut être reproduite, car cette loi dévoile une relation linéaire entre la température de fusion et l'inverse de l'épaisseur du cristal. Pour révéler efficacement l'impact des conditions environnementales sur le comportement de fusion PE, un nanocristal composé de chaînes d'alcane est incorporé dans une phase amorphe. Finalement, l'étude du comportement de fusion et de cristallisation des polymères sous haute pression a un intérêt fondamental pour la compréhension de la structure du polymère. 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Les interactions entre les monomères non liés dans nanocristal chaînes d'alcane et alcanes dans la phase amorphe diminuent la mobilité des chaînes dans le cristal conduisant à une température de fusion plus élevée et une tension interfaciale plus faible. b) Il a été montré que l'augmentation de la pression entraîne une diminution de la tension interfaciale, ce qui peut s'expliquer par une diminution de l'énergie libre de Gibbs. De plus, en comparant les expériences et les données de simulation, nous obtenons une correspondance précise qu'en augmentant la pression, le point de fusion des échantillons augmentera aussi. Dans la partie expérimentale, l'effet de la température du moule, de la pression du moule, du taux de refroidissement et du profil de température sur les propriétés thermiques et mécaniques des échantillons sont étudiés. Les résultats confirment que pour des échantillons symétriques (température de moulage uniforme), une température de fusion, les modules de flexion et de traction plus élevées découlent d'une augmentation de la pression et la température de moulage, tout en diminuant la vitesse de refroidissement. D'autre part, pour les échantillons asymétriques où le gradient de température est appliqué lors du moulage, le module de traction et de flexion ne dépend pas seulement de la différence de température, mais aussi de la température moyenne entre les plaques supérieure et inférieure de la presse à mouler par compression. On observe que les modules de traction et flexion les plus élevés sont obtenus pour la température la plus basse sur les deux plaques. Ce comportement peut être clairement révélé en utilisant le rapport de module de flexion qui représente la valeur mesurée lorsque la charge est appliquée sur les côtés supérieure et inférieure (Eb / Eu). 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Pour un matériau tel que le polyéthylène (PE), la structure de la chaîne polymère influence la morphologie et la cristallinité. Les nanocristaux de PE ont attiré une attention considérable en raison des applications potentielles dans la technologie et de leurs propriétés fascinantes qui sont différent clairement des leurs matériaux en vrac correspondants. Il existe plusieurs méthodes pour déterminer la cristallinité du polymère, mais la plupart d'entre elles sont destructrices et fournissent des informations ponctuelles. Elles nécessitent également souvent un temps de manipulation important, tandis que les expériences sur des objets à l'échelle nanométrique sont souvent restées avec une grande incertitude en raison de la difficulté de produire et de manipuler ces objets à des échelles de longueur inférieures à 10 nm. Pour ces raisons, les méthodes de calcul sont considérées comme des outils parfaits pour mieux comprendre ces observations expérimentales. La finalité de cette étude vise à révéler l'effet des conditions environnementales sur la température de fusion des nanocristaux de chaînes alcanes en utilisant tant des simulations de dynamique moléculaire afin de représenter au mieux des composés réels ainsi que des techniques expérimentales pour étudier les conditions de traitement sur leur tension interfaciale. Il a été montré que la loi de Gibbs-Thomson peut être reproduite, car cette loi dévoile une relation linéaire entre la température de fusion et l'inverse de l'épaisseur du cristal. Pour révéler efficacement l'impact des conditions environnementales sur le comportement de fusion PE, un nanocristal composé de chaînes d'alcane est incorporé dans une phase amorphe. Finalement, l'étude du comportement de fusion et de cristallisation des polymères sous haute pression a un intérêt fondamental pour la compréhension de la structure du polymère. Suite à notre travail sur le nanocristal chaînes d'alcane, nous avons calculé la valeur de la tension interfaciale à différentes pressions pour explorer l'effet de ce paramètre sur la température de fusion et la tension interfaciale de ce matériau. Plus précisément: a) Nous avons démontré que la température de fusion augmente et la tension interfaciale diminue, en comparant les résultats obtenus avec des chaînes d'alcanes nanocristal incorporées dans une phase amorphe avec un nanocristal isolé. Cela peut se révéler grâce au comportement du déplacement quadratique moyenne d'une particule près de la surface du cristal dans les deux systèmes (chaînes d'alcanes nanocristal incorporées dans une phase amorphe avec un nanocristal isolé). 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Les résultats confirment que pour des échantillons symétriques (température de moulage uniforme), une température de fusion, les modules de flexion et de traction plus élevées découlent d'une augmentation de la pression et la température de moulage, tout en diminuant la vitesse de refroidissement. D'autre part, pour les échantillons asymétriques où le gradient de température est appliqué lors du moulage, le module de traction et de flexion ne dépend pas seulement de la différence de température, mais aussi de la température moyenne entre les plaques supérieure et inférieure de la presse à mouler par compression. On observe que les modules de traction et flexion les plus élevés sont obtenus pour la température la plus basse sur les deux plaques. Ce comportement peut être clairement révélé en utilisant le rapport de module de flexion qui représente la valeur mesurée lorsque la charge est appliquée sur les côtés supérieure et inférieure (Eb / Eu). Enfin, il a été montré que l'augmentation de la pression de moulage entraîne une tension interfaciale la plus basse qui peut s'expliquer par une diminution de l'énergie libre de Gibbs pendant la cristallisation. Ce résultat a également confirmé les données de simulation.","In industry, end user plastics products are made by diverse polymer processing techniques such as compression molding, injection molding, blow molding, extrusion, etc. These processing operations involve exposing polymer resins to elevated temperatures, pressures, stresses, strains, etc. All these conditions are known to affect the nature of the crystalline structure of semi-crystalline polymers and is referred to as morphology which is controlled by crystallization mechanisms. For a material such as polyethylene (PE), the polymer chain structure influences on morphology and crystallinity. PE nanocrystals have attracted considerable attention due to potential applications in technology and their fascinating properties which clearly differ from those of their corresponding bulk materials. Nowadays, different methods are used to determine polymer crystallinity, but most of them are destructive and provide single point information. They also often require significant handling time, while experiments on nanoscale objects are often plague with high uncertainty because of the difficulty of producing and manipulating these objects at length scales below 10 nm. For these reasons, computational methods are seen as perfect tools to get more insight into these experimental observations. This work is thus aimed at revealing the effect of environmental conditions on the melting temperature of alkane chains nanocrystals using molecular dynamics simulations to approach real compounds. It was shown that the Gibbs-Thomson law can be reproduced, as this law unveils a linear relationship between the melting temperature and the inverse of the crystal thickness. To efficiently reveal the impact of environmental conditions on the melting behaviour of PE, a nanocrystal composed of alkane chains is embedded in an amorphous phase. Ultimately, the investigation of the melting and crystallization behaviour of polymers under high pressure has basic interest for the understanding of the polymer structure. Following our work on polyethylene nanocrystal, we calculated the value of interfacial tension at different pressures to explore the effect of this parameter on melting temperature and interfacial tension of this material. More specifically: a) We demonstrated that melting temperature increases and interfacial tension decreases, comparing the results from single alkane chains nanocrystal embedded in an amorphous phase with isolated crystal. This can be explained by MSD (Molecular Dynamic Simulation) behaviour of one particle near the crystal surface in both systems (single alkane chains nanocrystal embedded in an amorphous phase with isolated crystal). Interactions between unbonded monomers in crystal and alkane chains in the amorphous phase decrease the chains mobility in the crystal leading to higher melting temperature and lower interfacial tension. b) It was shown that increase of pressure results in decrease of interfacial tension, which can be explained by depression in Gibbs free energy. Furthermore, comparing experiments and simulation data give us an accurate match that by increasing pressure, melting point of samples will increase too. In experimental part, the effect of mold temperature, mold pressure, cooling rate and temperature profile on the thermal and mechanical properties of the samples are investigated. Results confirm that for symmetric samples (uniform molding temperature), higher melting temperature, flexural and tensile modulus stem from an increase in the molding pressure and molding temperature, while decreasing the cooling rate. On the other hand, for asymmetric samples where temperature gradient is applied while molding, the tensile and flexural modulus not only depend on the temperature difference, but also on the average temperature between the upper (Tu) and bottom (Tb) plates of the compression molding press. It is observed that the highest tensile and flexural moduli are obtained for the lowest temperature on both plates. This behavior can be clearly revealed using the flexural modulus ratio which represents the value measured when the load is applied on the bottom or the upper sides (Eb/Eu). Finally, it was shown that increasing the molding pressure results in lower interfacial tension which can be explained by a depression of the Gibbs free energy during crystallization. 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Pour un matériau tel que le polyéthylène (PE), la structure de la chaîne polymère influence la morphologie et la cristallinité. Les nanocristaux de PE ont attiré une attention considérable en raison des applications potentielles dans la technologie et de leurs propriétés fascinantes qui sont différent clairement des leurs matériaux en vrac correspondants. Il existe plusieurs méthodes pour déterminer la cristallinité du polymère, mais la plupart d'entre elles sont destructrices et fournissent des informations ponctuelles. Elles nécessitent également souvent un temps de manipulation important, tandis que les expériences sur des objets à l'échelle nanométrique sont souvent restées avec une grande incertitude en raison de la difficulté de produire et de manipuler ces objets à des échelles de longueur inférieures à 10 nm. Pour ces raisons, les méthodes de calcul sont considérées comme des outils parfaits pour mieux comprendre ces observations expérimentales. La finalité de cette étude vise à révéler l'effet des conditions environnementales sur la température de fusion des nanocristaux de chaînes alcanes en utilisant tant des simulations de dynamique moléculaire afin de représenter au mieux des composés réels ainsi que des techniques expérimentales pour étudier les conditions de traitement sur leur tension interfaciale. Il a été montré que la loi de Gibbs-Thomson peut être reproduite, car cette loi dévoile une relation linéaire entre la température de fusion et l'inverse de l'épaisseur du cristal. Pour révéler efficacement l'impact des conditions environnementales sur le comportement de fusion PE, un nanocristal composé de chaînes d'alcane est incorporé dans une phase amorphe. Finalement, l'étude du comportement de fusion et de cristallisation des polymères sous haute pression a un intérêt fondamental pour la compréhension de la structure du polymère. Suite à notre travail sur le nanocristal chaînes d'alcane, nous avons calculé la valeur de la tension interfaciale à différentes pressions pour explorer l'effet de ce paramètre sur la température de fusion et la tension interfaciale de ce matériau. Plus précisément: a) Nous avons démontré que la température de fusion augmente et la tension interfaciale diminue, en comparant les résultats obtenus avec des chaînes d'alcanes nanocristal incorporées dans une phase amorphe avec un nanocristal isolé. Cela peut se révéler grâce au comportement du déplacement quadratique moyenne d'une particule près de la surface du cristal dans les deux systèmes (chaînes d'alcanes nanocristal incorporées dans une phase amorphe avec un nanocristal isolé). Les interactions entre les monomères non liés dans nanocristal chaînes d'alcane et alcanes dans la phase amorphe diminuent la mobilité des chaînes dans le cristal conduisant à une température de fusion plus élevée et une tension interfaciale plus faible. b) Il a été montré que l'augmentation de la pression entraîne une diminution de la tension interfaciale, ce qui peut s'expliquer par une diminution de l'énergie libre de Gibbs. De plus, en comparant les expériences et les données de simulation, nous obtenons une correspondance précise qu'en augmentant la pression, le point de fusion des échantillons augmentera aussi. Dans la partie expérimentale, l'effet de la température du moule, de la pression du moule, du taux de refroidissement et du profil de température sur les propriétés thermiques et mécaniques des échantillons sont étudiés. Les résultats confirment que pour des échantillons symétriques (température de moulage uniforme), une température de fusion, les modules de flexion et de traction plus élevées découlent d'une augmentation de la pression et la température de moulage, tout en diminuant la vitesse de refroidissement. D'autre part, pour les échantillons asymétriques où le gradient de température est appliqué lors du moulage, le module de traction et de flexion ne dépend pas seulement de la différence de température, mais aussi de la température moyenne entre les plaques supérieure et inférieure de la presse à mouler par compression. On observe que les modules de traction et flexion les plus élevés sont obtenus pour la température la plus basse sur les deux plaques. Ce comportement peut être clairement révélé en utilisant le rapport de module de flexion qui représente la valeur mesurée lorsque la charge est appliquée sur les côtés supérieure et inférieure (Eb / Eu). Enfin, il a été montré que l'augmentation de la pression de moulage entraîne une tension interfaciale la plus basse qui peut s'expliquer par une diminution de l'énergie libre de Gibbs pendant la cristallisation. Ce résultat a également confirmé les données de simulation.","In industry, end user plastics products are made by diverse polymer processing techniques such as compression molding, injection molding, blow molding, extrusion, etc. These processing operations involve exposing polymer resins to elevated temperatures, pressures, stresses, strains, etc. All these conditions are known to affect the nature of the crystalline structure of semi-crystalline polymers and is referred to as morphology which is controlled by crystallization mechanisms. For a material such as polyethylene (PE), the polymer chain structure influences on morphology and crystallinity. PE nanocrystals have attracted considerable attention due to potential applications in technology and their fascinating properties which clearly differ from those of their corresponding bulk materials. Nowadays, different methods are used to determine polymer crystallinity, but most of them are destructive and provide single point information. They also often require significant handling time, while experiments on nanoscale objects are often plague with high uncertainty because of the difficulty of producing and manipulating these objects at length scales below 10 nm. For these reasons, computational methods are seen as perfect tools to get more insight into these experimental observations. This work is thus aimed at revealing the effect of environmental conditions on the melting temperature of alkane chains nanocrystals using molecular dynamics simulations to approach real compounds. It was shown that the Gibbs-Thomson law can be reproduced, as this law unveils a linear relationship between the melting temperature and the inverse of the crystal thickness. To efficiently reveal the impact of environmental conditions on the melting behaviour of PE, a nanocrystal composed of alkane chains is embedded in an amorphous phase. Ultimately, the investigation of the melting and crystallization behaviour of polymers under high pressure has basic interest for the understanding of the polymer structure. Following our work on polyethylene nanocrystal, we calculated the value of interfacial tension at different pressures to explore the effect of this parameter on melting temperature and interfacial tension of this material. More specifically: a) We demonstrated that melting temperature increases and interfacial tension decreases, comparing the results from single alkane chains nanocrystal embedded in an amorphous phase with isolated crystal. 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