Films cellulaires en polypropylène chargé de talc et de carbonate de

Films cellulaires en polypropylène chargé de talc et
de carbonate de calcium utilisés comme matériaux
piézoélectriques:
Optimisation de la structure cellulaire par étirage bi-axial et
par gonflement sous atmosphère d’azote
Mémoire
Eric Audet
Maîtrise en génie chimique
Maître ès sciences (M.Sc.)
Québec, Canada
© Eric Audet, 2015

iii
Résumé
Des films cellulaires pour usage piézoélectrique ont été développés par étirage bi-axial suivi
d’un gonflement contrôlé à partir de films composites en polypropylène (PP) chargés de
particules minérales: carbonate de calcium (CaCO3) et talc. Afin d’atteindre des propriétés
piézoélectriques convenables, la morphologie cellulaire des films a été basée sur une revue
de littérature pour l’épaisseur (b) des cellules, leur aspect (a/b) défini par le rapport entre leur
longueur (a) et leur épaisseur (b), ainsi que l’épaisseur (t) de leurs parois. De façon à évaluer
l’impact de la taille des particules, de leur concentration, de leur forme et de la température
d’étirement sur la morphologie cellulaire de films, des échantillons ont été produits en
extrudant des feuilles de 0,9 mm de PP/CaCO3 (12 μm, sphérique), PP/CaCO3 (6 μm,
sphérique), PP/CaCO3 (3 μm, sphérique) et PP/talc (10 μm, plat). Ces feuilles ont été ensuite
étirées bi-axialement à des températures de 152, 155, 158 et 160°C à un taux d’étirement de
2,4 m/min. Suite à l’étirement bi-axial, des épaisseurs de films variant entre 40 et 120 μm ont
été obtenues. Les films ont ensuite subi un traitement d’expansion (diffusion d’azote à
130°C) afin de gonfler les cellules. L’analyse d’images obtenues par microscopie
électronique à balayage (MEB) a servi à quantifier la morphologie cellulaire. Les résultats
obtenus ont montré que les films de PP/CaCO3 (3 μm) n’ont pas donné de cellule, alors que
ceux de PP/CaCO3 (12 μm) étirés à 152°C ont donné les meilleures morphologies cellulaires
à des concentrations massiques de 35%. Ces «meilleures» morphologies correspondent à t =
3,6 μm, a/b = 5,6 et b = 13,6 μm. La valeur de la contrainte ultime lors de l’étirement s’est
avérée proportionnelle à la quantité et à la qualité des cellules produites. Finalement, le ratio
d’étirement, auquel la contrainte ultime est atteinte, est constant à environ 3,3, peu importe
la taille des particules, leur concentration ou la température d’étirement. Ceci suggère que la
matrice et la vitesse d’étirement sont responsables de la modulation du ratio d’étirement
auquel la délamination matrice-particules se produit. Les travaux ont démontré que la
concentration et la taille des particules sont inversement proportionnelles à l’épaisseur des
parois cellulaires proportionnelles, au nombre de cellules observées et à la hauteur de ces
cellules. L’abaissement de la température d’étirement a pour effet d’amplifier les effets
respectifs associés à la taille et à la concentration des particules.

iv
Abstract
Piezoelectric cellular films have been developed, by bi-axial stretching followed by
controlled cell inflation, from composite polypropylene (PP) films filled with mineral
particles of calcium carbonate (CaCO3) and talc. An exhaustive literature review was done
to identify the optimum values for the parameters describing the cellular structure promoting
piezoelectricity. The most important morphological parameters associated with the structural
stiffness of the films, which is inversely proportional to the piezoelectric coefficient, are: cell
aspect ratio (a/b), cell thickness (b) and cell wall thickness (t). To optimize the cellular
structure created during the bi-axial stretching step, PP films filled with CaCO3 and talc
particles of different sizes and shapes were stretched at different temperatures and then
underwent a gas diffusion expansion to improve the cell morphology. Initially, 0.9 mm sheets
of PP/CaCO3 (12 μm, spherical), PP/CaCO3 (6 μm, spherical), PP/CaCO3 (3 μm, spherical)
and PP/talc (10 μm, platy) were extruded before being bi-axially stretched at 152, 155, 158
and 160°C under a stretching rate of 2.4 m/min in both directions. The gas diffusion
expansion treatment of the resulting films was done with nitrogen at 130°C. The cell
morphology analysis was done from scanning electron microscopy (SEM) images to quantify
a/b, b and t. It was observed that films made of PP/CaCO3 (3 μm) did not yield any cells.
However, those made from PP/CaCO3 (12 μm) and stretched at 152°C had the best cellular
structure when the CaCO3 concentration was 35% wt. The best morphology (t = 3.6 μm, a/b
= 5.6 and b = 13.6 μm) was achieved within the targeted values to optimize piezoelectric
properties. It was found that the ultimate stress during stretching depends on the cellular
quality of the resulting film and that, independent of the size of CaCO3 or talc particles, their
concentration or the stretching temperature. It was also observed that the stretching ratio at
which the ultimate stress was obtained was always around 3.5. This suggested that both the
stretching speed and the polymer matrix were responsible for the stretching ratio at which
delamination occurs. As expected, particle concentration and their size were shown to be
inversely proportional to cell wall thickness, but proportional to the number of cells observed
and to their height. Decreasing the stretching temperature amplified the respective effects of
the cell morphology associated with particles size and concentration.

v
Table des matières
Résumé .................................................................................................................................. iii
Abstract .................................................................................................................................. iv
Table des matières .................................................................................................................. v
Liste des Tableaux ................................................................................................................. ix
Liste des Figures .................................................................................................................... xi
Liste des abréviations et symboles ..................................................................................... xvii
Remerciements ..................................................................................................................... xxi
Avant-propos ..................................................................................................................... xxii
Chapitre 1 - Introduction ......................................................................................................... 1
1.1 Introduction générale ........................................................................................................................... 1
1.1.1 Bref historique du développement de la piézoélectricité et enjeux d’actualité ........................... 2
1.2 Revue de la littérature .......................................................................................................................... 4
1.2.1 Mise en œuvre de films cellulaires piézoélectriques à base de polypropylène chargé ............... 5
1.2.2 Choix des matériaux ................................................................................................................. 21
Chapitre 2 - Problématique, objectifs et méthodes ............................................................... 23
2.1 Problématique .................................................................................................................................... 23
2.1.1 Observations sur les valeurs à atteindre pour les paramètres décrivant la morphologie cellulaire
23
2.2 Hypothèses .......................................................................................................................................... 24
2.3 Objectifs.............................................................................................................................................. 25
2.4 Méthode expérimentale ...................................................................................................................... 27
2.4.1 Mise-en-œuvre des films ........................................................................................................... 27
2.4.2 Caractérisation .......................................................................................................................... 35
Chapitre 3 - Optimization of the Cellular Morphology of Piezoelectric Polypropylene Films
.............................................................................................................................................. 39
3.1 Résumé................................................................................................................................................ 40
3.2 Abstract .............................................................................................................................................. 41
3.3 Introduction ........................................................................................................................................ 42
3.3.1 Cellular film fabrication steps ................................................................................................... 43
3.3.2 Modelling of cellular film piezoelectric response ..................................................................... 45
3.3.3 Optimization path ...................................................................................................................... 49
3.4 Experimental ...................................................................................................................................... 51
3.4.1 Materials and film development conditions .............................................................................. 51