Micromechanical modelling of thermoplastic elastomer composite with a Polypropylene matrix
Modélisation micromécanique de composites thermoplastiques élastomères à matrice polypropylène
Résumé
Due to their high consumption, the vulcanized elastomeric products are an important source of waste. One way of recycling these materials is their reuse under the form of particles in polymer matrix composites to reduce stiffness and increase their resistance to low-energy impacts. This study is born of a collaboration between the LIMATB and the Technische Universität Chemnitz, which develops this concept of materials.
The aim of this study is to conduct experimental characterization and to develop a micromechanical model of thermoplastic elastomer (TPE). These materials are made of an isotactic polypropylene homopolymer (PP) and of rubber waste particles, based on ethylene propylene diene monomer (EPDM). The complex nature of the PP prompted us to develop a micromechanical model in which the crystalline and the amorphous phases are distinguished. Using linear elasticity behaviour at different crystalline contents, a generalized self-consistent model is developed. This approach is extended for elastoviscoplastic behaviour, and compared to an other model, using a simple macroscopic approch. In the case of TPE, a micromechanical model has also been used to optimize the properties of these materials. The law behavior of TPE is built through the mechanical behavior of EPDM particles and using the macroscopic law determined for the PP. The predictions of all the models are analyzed and compared with the results of tensile tests, fluxural and indentation test. All the models developed have been implemented in the Abaqus finite element code to allow the calculation of industrial products.
The aim of this study is to conduct experimental characterization and to develop a micromechanical model of thermoplastic elastomer (TPE). These materials are made of an isotactic polypropylene homopolymer (PP) and of rubber waste particles, based on ethylene propylene diene monomer (EPDM). The complex nature of the PP prompted us to develop a micromechanical model in which the crystalline and the amorphous phases are distinguished. Using linear elasticity behaviour at different crystalline contents, a generalized self-consistent model is developed. This approach is extended for elastoviscoplastic behaviour, and compared to an other model, using a simple macroscopic approch. In the case of TPE, a micromechanical model has also been used to optimize the properties of these materials. The law behavior of TPE is built through the mechanical behavior of EPDM particles and using the macroscopic law determined for the PP. The predictions of all the models are analyzed and compared with the results of tensile tests, fluxural and indentation test. All the models developed have been implemented in the Abaqus finite element code to allow the calculation of industrial products.
De part leur grande consommation, les pièces en élastomère vulcanisé sont une source importante de déchets. Une des voies de revalorisation de ces matériaux est leur réutilisation sous forme de particules dans des composites à matrice polymère, afin de diminuer leur rigidité et d'augmenter leur résistance aux chocs de faible énergie. Cette étude est ainsi née d'une collaboration entre le LIMATB et la Technische Universität Chemnitz, qui développe ce concept de matériaux.
L'objectif de cette étude est la caractérisation expérimentale et la modélisation du comportement mécanique de composites thermoplastiques élastomères (TPE). Ces matériaux sont composés d'une matrice en homopolymère polypropylène isotactique (PP) et de particules d'élastomère recyclées à base d'éthylène propylène diène monomère (EPDM). La nature complexe du PP nous a incité à développer un modèle micromécanique, en distinguant dans ce polymère une phase amorphe et une phase cristalline. A partir d'un motif représentatif permettant d'estimer les propriétés élastiques du PP en fonction du taux de cristallinité, un modèle micromécanique de type autocohérent généralisé est comparé à un modèle macroscopique plus simple pour décrire son comportement élastoviscoplastique. La loi de comportement des TPE est construite, via une démarche d'homogénéisation, à partir du comportement mécanique des particules d'EPDM et de la loi macroscopique déterminée pour le PP. Les prévisions des modèles sont analysées et comparées aux résultats d'essais de flexion, de traction et d'indentation. Les modèles développés ont été implantés dans le code « éléments finis » Abaqus afin de permettre le calcul de pièces industrielles.
L'objectif de cette étude est la caractérisation expérimentale et la modélisation du comportement mécanique de composites thermoplastiques élastomères (TPE). Ces matériaux sont composés d'une matrice en homopolymère polypropylène isotactique (PP) et de particules d'élastomère recyclées à base d'éthylène propylène diène monomère (EPDM). La nature complexe du PP nous a incité à développer un modèle micromécanique, en distinguant dans ce polymère une phase amorphe et une phase cristalline. A partir d'un motif représentatif permettant d'estimer les propriétés élastiques du PP en fonction du taux de cristallinité, un modèle micromécanique de type autocohérent généralisé est comparé à un modèle macroscopique plus simple pour décrire son comportement élastoviscoplastique. La loi de comportement des TPE est construite, via une démarche d'homogénéisation, à partir du comportement mécanique des particules d'EPDM et de la loi macroscopique déterminée pour le PP. Les prévisions des modèles sont analysées et comparées aux résultats d'essais de flexion, de traction et d'indentation. Les modèles développés ont été implantés dans le code « éléments finis » Abaqus afin de permettre le calcul de pièces industrielles.