Relationship Between Rheology, Morphology and Foamability of Thermoplastic Olefin (TPO) Blends

Dues aux propriétés uniques des oléfines thermoplastiques (TPO), cette classe de mélange polymères a suscité un grand intérêt de la part de l'industrie de transformation des polymères. Bien que plusieurs projets de recherche ont été consacrés à l'étude de la microstructure et des propriétés diverses de ces matériaux, le comportement moussant des TPO n'a pas encore été totalement élucidé. Le but de cette étude est de contrôler le comportement moussant des TPO par la compréhension du rôle des propriétés rhéologiques et morphologiques dans la formation des structures cellulaires. Une attention particulière est accordée au phénomène de coalescence des phases qui joue un rôle majeur dans le développement de la morphologie des mélanges polymères. À cet égard, l'étendue de la coalescence causée par l'écoulement dans les TPO a été tout d'abord étudiée au moyen d'une approche rhéologique. Un modèle rhéologique en régime transitoire a été utilisé pour décrire l'évolution de la morphologie des mélanges pendant le cisaillement soumis à un champ de contraintes de cisaillement homogène. L'étude de TPO avec différentes concentrations a montré que les modèles phénoménologiques en régime transitoire peuvent être utilisés pour simuler la coalescence et pour décrire l'influence de la fréquence de collision en fonction de la fraction volumique. Il a aussi été montré que la coalescence est favorisée par une viscosité des inclusions plus faible. Cela a été attribué à l'augmentation de la mobilité interfaciale qui peut réduire le temps de drainage et faciliter la collision de deux gouttes qui s'approchent l'une de l'autre. Pour contrôler l'extension de la coalescence des phases, dans la seconde partie de cette étude, une compatibilisation réactive a été réalisée. Un polypropylène aminé et un élastomère greffé avec de l'anhydride maléique ont été utilisés pour former des copolymères à l'interface pendant le procédé de mélange réactif à l'état fondu. Les mesures en rhéologie dynamique ont montré que les mélanges compatibilisés se comportent comme des matériaux à l'état de transition sol-gel caractérisée par une viscosité plateau infinie et un comportement en loi de puissance du module élastique aux basses fréquences. Le comportement gélifié des mélanges compatibilisés à basse fréquence a pu être décrit en utilisant un modèle de Zener généralisé avec 3 éléments fractionnels. Les TPO compatibilisés ont aussi montré une amélioration significative de la viscosité en cisaillement transitoire aussi bien qu'un comportement de relaxation des contraintes retardé. Un tel comportement rhéologique a été attribué à la présence d'un réseau structural interconnecté dans les TPO compatibilisés, confirmé par la microscopie à force atomique. Dans la dernière partie de ce projet de recherche, le comportement moussant des TPO a été étudié au moyen d'un bain pressurisé avec du dioxyde de carbone comme agent gonflant. La morphologie des TPO a varié avec la compatibilisation réactive, le recuit statique et la coalescence de la phase dispersée causée par le cisaillement. La structure cellulaire des TPO expansés a été caractérisée grâce à une technique microscopique capable d'identifier les positions respectives des bulles, de la phase élastomérique dispersée et de la matrice de polypropylène. Les résultats ont montré que la phase élastomérique agit en tant que site de nucléation et la morphologie cellulaire finale des TPO peut être directement corrélée à la structure initiale du mélange. Il a aussi été démontré que les propriétés élongationnelles des TPO fondus joue un rôle primordial dans le contrôle de la coalescence cellulaire. Il a été trouvé que la compatibilisation réactive était capable de modifier le pouvoir moussant à l'état fondu en augmentant le taux de nucléation et en contrôlant la phase de croissance des bulles nucléées.

Abstract

Due to the unique properties of thermoplastic olefins (TPOs), this class of polymer blends has gained a great interest in the polymer processing industry. Although several researches have been devoted to investigating the microstructure and various properties of these materials, the foaming behavior of the TPOs has not been fully understood yet. The aim of the present study is to control the foaming behavior of TPOs via the understanding of the role of rheological and morphological properties in the formation of cellular structures. A particular attention is paid to the phase coalescence phenomenon, which plays a major role in the morphology development of polymer blends. In this regard the extent of flow induced coalescence in TPOs was firstly investigated by means of a rheological approach. A transient rheological model was employed to describe the morphological evolution of the blends during shearing in a homogeneous shear flow field. Investigating TPOs with different concentrations showed that phenomenological transient models can be used to simulate the coalescence behavior and to account for the variation of collision frequency with volume fraction. It was also shown that the coalescence is favored by a decrease of the viscosity of the inclusions. This was attributed to the increased interfacial mobility, which can reduce the drainage time and facilitate the collision of two approaching drops. To control the extent of phase coalescence, in the second part of this study, a reactive compatibilization was employed. An aminated polypropylene and a maleic anhydride grafted elastomer were used to form copolymers at the interface during a reactive melt blending process. Dynamic rheological measurements showed that the compatibilized blends behave as materials in the sol gel transition featuring infinite zero shear viscosity and power-law behavior of the elastic moduli at low frequencies. The gel-like behavior of the compatibilized blends at low frequency could be described using a generalized Zener model with 3 fractional elements. The compatibilized TPOs also showed significant enhancements in transient shear viscosities as well as a retarded stress relaxation behavior. Such a rheological behavior was attributed to the presence of an interconnected network structure in the compatibilized TPOs as confirmed by atomic force microscopy. In the last phase of this research, the foaming behavior of the TPOs was investigated by means of a bath setup pressurized with carbon dioxide as blowing agent. The morphology of the TPOs was varied via reactive compatibilization, static annealing and shear induced phase coalescence. The cellular structure of the TPO foams were characterized using a microscopic technique capable of positioning the respective locations of bubbles, dispersed elastomeric phase and the polypropylene matrix. The results showed that the elastomeric phase acts as the nucleating site and the final cellular morphology of the TPOs can be directly correlated to the initial blend microstructure. It was also shown that the melt elongational properties of the TPOs play a major role in controlling the extent of cell coalescence. Reactive compatibilization was found to be capable of modifying the melt foamability via increasing the nucleation rate and controlling the growth stage of the nucleated bubbles.