Modelling strain-induced crystallization in natural rubber

Modélisation de la cristallisation sous tension du caoutchouc naturel

Alice Gros (1, 2)

1 GeM - Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique
2 ECN - École Centrale de Nantes

Despite the numerous experimental investigations performed over the past century and more intensively in the last fifteen years, strain-induced crystallization taking place in natural rubber still remains hardly understood in its precise mechanisms, leading models to remain phenomenological ones. The present study aims to develop a physically-motivated model which qualitatively reproduces physical phenomena observed during an uniaxial tensile test. Firstly, the amorphous network is assumed to deform in an equal-force manner, resulting in a representative chain encompassing the inhomogeneity of matter through the chain-length distribution. Secondly, based on classical thermodynamics and on the entangled nature of the polymer network, both crystallization and fusion conditions are established. Moreover the derivation of the equilibrium point of a finite crystallite in a deformed network clarifies the tight relation between deformation and temperature during fusion. Finally, a semi-crystallized chain is defined, accounting for both the inhomogeneity of the amorphous phase and the heterogeneity due to the presence of a crystalline phase. This chain is included in a modified full-network model, initially dedicated to amorphous networks. This work leads to a complete thermo-mechanical constitutive equation which qualitatively reproduces the response of natural rubber in tension, but also to an original interpretative description of strain-induced crystallization.

Bien que la cristallisation sous tension du caoutchouc naturel ait fait l'objet de nombreuses investigations expérimentales au cours du siècle dernier, et notamment ces quinze dernières années, les résultats obtenus ne permettent toujours pas d'aboutir à une compréhension fine des mécanismes physiques en jeu, limitant la modélisation à des approches phénoménologiques. La présente thèse vise à élaborer un modèle rendant qualitativement compte des phénomènes observés lors d'un essai de traction uniaxiale du caoutchouc naturel. Dans un premier temps, une chaîne représentative modélise le réseau amorphe dont l'inhomogénéité est exprimée au travers de la distribution des longueurs des chaînes polymères qu'on suppose déformées à force égale. Les conditions de cristallisation et de fusion sont ensuite définies par la thermodynamique de changement de phase classique à laquelle est ajouté le caractère enchevêtré du réseau ; les conditions obtenues éclaircissent notamment la relation entre la déformation et la température lors de la fusion des cristallites. Finalement, un modèle de chaîne semi-cristallisée associant l'inhomogénéité des chaînes amorphes et l'hétérogénéité due à la présence de la phase cristalline est proposé, puis inclus dans une loi de comportement de type full-network dont les équations sont adaptées en conséquence. Ce travail aboutit à un modèle thermo-mécanique complet permettant de décrire qualitativement la réponse du caoutchouc naturel, ainsi qu'à une description interprétative originale de la cristallisation sous tension.

Mots clés: Strain-induced crystallization; natural rubber; physical model; constitutive equations; heterogeneous network model; thermodynamics of phase transitions.

Mots clés: Cristallisation sous tension; caoutchouc naturel; modèle physique; modèle de réseau hétérogène; loi de comportement; thermodynamique de changement de phase.

Domaines: Mécanique des matériaux [physics.class-ph]; Mécanique [physics]

Alice Gros. Modélisation de la cristallisation sous tension du caoutchouc naturel. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Ecole Centrale de Nantes ; Université Bretagne Loire, 2016. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01870653v1⟩