Thèse mesri axe génie des produits - mélange de thermoplastiques et de vitrimères: formation de systèmes recyclables multiphasés à propriétés d'écoulements variables par micromélange // mesri thesis product engineering axis - blending of thermoplastics a

Topic description

Les thermoplastiques semi-cristallins sont largement utilisés pour leur facilité de mise en oeuvre et leur recyclabilité, mais présentent des limitations en termes de propriétés mécaniques et de stabilité dimensionnelle. À l'inverse, les réseaux polymères dynamiques de type vitrimère, notamment basés sur des chimies époxy, offrent des propriétés de relaxation de contrainte et de durabilité accrues. L'association de ces deux classes de matériaux sous forme de systèmes multiphasiques constitue une voie prometteuse pour développer des matériaux à la fois performants et recyclables.
L'objectif principal de cette thèse est d'établir des relations formulation-procédé-structure dans des mélanges associant thermoplastiques et réseaux vitrimère époxy. Il s'agira en particulier de comprendre comment les conditions de mise en oeuvre contrôlent la morphologie (dispersion, fibrillation, co-continuité) et, en retour, les propriétés d'écoulement et les propriétés mécaniques des matériaux.
La démarche reposera sur la préparation de mélanges par voie fondue (compoundage et injection), en s'appuyant sur un plan d'expériences de type D-optimal permettant d'explorer efficacement les paramètres clés (composition, température, vitesse de cisaillement, temps de séjour). Cette approche permettra de construire une base de données structurée reliant formulation, conditions opératoires et morphologie résultante.
La caractérisation sera menée à plusieurs échelles. La morphologie sera étudiée par microscopie optique, MEB et AFM, ainsi que par diffusion de la lumière (SALS/WALS) afin de quantifier l'organisation des phases et l'anisotropie induite par l'écoulement. Les propriétés rhéologiques à l'état fondu permettront d'analyser les mécanismes d'écoulement, tandis que des essais mécaniques (traction, DMA) évalueront les performances des matériaux. Enfin, la recyclabilité mécanique sera étudiée par reprocessing afin d'évaluer la stabilité des propriétés au cours de cycles de transformation.
Les résultats attendus concernent l'établissement de cartographies procédé-morphologie–propriétés, ainsi qu'une meilleure compréhension du rôle des réseaux vitrimer dans la structuration et la stabilisation de ces systèmes multiphasiques. Ces travaux contribueront à la conception de matériaux polymères recyclables compatibles avec les procédés industriels.

Le travail de thèse s'articulera autour de deux axes principaux :
•Préparation et caractérisation des réseaux vitrimères : Synthèse et optimisation de réseaux époxy vitrimère(DGEBA/SA, DGEBA/CHDA), avec une attention particulière portée à l'homogénéité des réseaux. Les propriétés thermiques et viscoélastiques seront caractérisées (DSC, rhéologie), ainsi que la cinétique de relaxation (essais de relaxation de contrainte). Des analyses à l'échelle nanométrique (AFM) permettront d'identifier d'éventuelles hétérogénéités.
•Élaboration et caractérisation de mélanges vitrimères/thermoplastique : Les mélanges seront préparés par voie fondue (micro-mélangeur, injection), en s'appuyant sur un plan d'expériences de type D-optimal afin d'explorer efficacement l'espace des paramètres (composition, température, cisaillement, temps de séjour). La morphologie des mélanges sera étudiée à différentes échelles de l'échelle nanométrique jusqu'à l'échelle macroscopique (microscopie optique, MEB, AFM, SALS/WALS). En parallèle, une caractérisation complète des matériaux sera réalisée incluant rhéologie à l'état fondu, essais mécaniques (notamment par traction), analyse thermomécanique (DMA) et évaluation de la recyclabilité mécanique par remise en œuvre par le même procédé.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Semicrystalline thermoplastics are widely used due to their processability and recyclability, but often exhibit limitations in mechanical performance and long-term dimensional stability. In contrast, dynamic polymer networks such as epoxy-based vitrimers provide enhanced stress relaxation and durability. Combining these two classes of materials in multiphase systems offers a promising route to develop materials that are both high-performing and recyclable.
The main objective of this PhD is to establish processing–structure relationships in blends combining thermoplastics and epoxy vitrimer networks. In particular, the work aims to understand how processing conditions control phase morphology (dispersion, fibrillation, co-continuity) and, in turn, the flow and mechanical properties of the resulting materials.
The approach will rely on melt processing (compounding and injection molding), combined with a D-optimal design of experiments (DoE) to efficiently explore key processing parameters (composition, temperature, shear rate, residence time). This strategy will enable the construction of a structured dataset linking formulation, processing conditions, and resulting morphology.
Characterization will be carried out across multiple length scales. Morphology will be analyzed using optical microscopy, SEM, and AFM, as well as light scattering techniques (SALS/WALS) to quantify phase organization and flow-induced anisotropy. Melt rheology will provide insight into flow mechanisms, while mechanical testing (tensile, DMA) will assess material performance. Finally, mechanical recyclability will be evaluated through reprocessing cycles to assess property retention.
The expected outcomes include the establishment of process–morphology–property maps and an improved understanding of the role of vitrimer networks in structuring and stabilizing multiphase systems. This work will contribute to the design of recyclable polymer materials compatible with industrial processing.

The PhD work will focus on two main aspects:
•Preparation and characterization of vitrimer networks: Synthesis and optimization of epoxy-based vitrimer systems (DGEBA/SA, DGEBA/CHDA), with emphasis on network homogeneity. Characterization will include thermal analysis (DSC), rheology, stress-relaxation measurements to determine exchange kinetics, and nanoscale mapping using AFM.
•Processing and characterization of vitrimer/thermoplastic blends: Blends will be prepared by melt processing (micro-compounding and injection molding), using a D-optimal design of experiments (DoE) to efficiently explore the processing space (composition, temperature, shear rate, residence time). Morphology will be characterized across multiple scales (optical microscopy, SEM, AFM, SALS/WALS). In addition, a comprehensive characterization will be performed, including melt rheology, tensile testing, dynamic mechanical analysis (DMA), and mechanical recyclability assessment through reprocessing.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Funding further details

Programmes ministériels spécifiques