Rev. Phys. Appl. (Paris) 22, 303-308 (1987)
DOI: 10.1051/rphysap:01987002205030300

Effets des traitements thermiques sur les propriétés micromécaniques d'un polymère semi-cristallin : cas du polyéthylène haute densité

N. Alberola¹ et S. Etienne<sup>2

1</sup>  Laboratoire de Technologie des Surfaces, Ecole Centrale de Lyon, 36, avenue Guy de Collongue, 69131 Ecully, France
²  Groupe d'Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux, INSA, avenue Albert Einstein, 69621 Villeurbanne, France

Abstract
Dynamic mechanical measurements carried out on high density polyethylene, using a low frequency inverted torsion pendulum (0.1 Hz), show three relaxation regimes designated α, β and γ in order of decreasing temperature. Sample quenching from 130°C to 15°C exhibits a decrease of the modulus in the temperature range ( -150 °C, 80°C) and an increase in magnitude of respectively β and γ loss peaks. As shown by differential calorimetric analysis, this thermal treatment exhibits a decrease of the crystalline mass fraction due to a loss of the most tight crystals. In the amorphous phase, these small crystals could be seen as physical ties between the larger crystals. Mechanical relaxation measurements, at increasing and decreasing temperature, performed on high density polyethylene samples (as received or quenched) show a significant increase of the modulus and a decrease in the magnitude of respectively the α, β and γ loss peaks during the cooling. In the temperature range (0 °C, 80°C), where α relaxation is located, an additional phenomenum due to the formation of tight crystals would take place. This explanation is according to calorimetrical analysis. The non rheological simplicity of the α relaxation could, thus, be due to the modification of the sample texture by temperature and thermal treatments.

Résumé
Le spectre de relaxation mécanique de polyéthylène haute densité, déterminé au moyen d'un pendule de torsion inversé basse fréquence (0,1 Hz), montre l'existence de trois phénomènes de relaxation notés à température décroissante α, β et γ. La trempe de cet échantillon depuis 130 °C jusqu'à 15 °C provoque une diminution significative du module de rigidité dans l'intervalle de température étudié (-150 °C, 80°C) associée à une augmentation de l'intensité des relaxations γ et β. Comme le montre l'étude calorimétrique, ce traitement thermique conduit à une diminution du taux de cristallinité lié à un appauvrissement en cristallites de tailles les plus réduites. Ces petites cristallites joueraient, au sein de la phase amorphe, le rôle de noeuds physiques entre cristallites de taille plus importante. La comparaison des spectres de relaxation d'échantillons de polyéthylène haute densité, trempé ou non trempé, réalisés lors de cyclages thermiques montre, lors du refroidissement, une augmentation significative du module de rigidité associée à une diminution des intensités de relaxations α, β et γ. Dans l'intervalle de température, où se situe la relaxation α (0 °C, 80 °C), apparaîtrait un phénomène supplémentaire lié à la formation de cristallites de taille réduite. Cette interprétation est appuyée par l'analyse calorimétrique. Ainsi, l'évolution de la morphologie avec la température et les traitements thermiques pourrait être à l'origine des écarts à la simplicité rhéologique de la relaxation α.

PACS
6220D - Elasticity, elastic constants.
8140G - Other heat and thermomechanical treatments.
8140J - Elasticity and anelasticity.

Key words
heat treatment -- polymers -- Young's modulus -- thermal treatments -- micromechanical properties -- semi crystalline polymer -- high density polyethylene -- low frequency inverted torsion pendulum -- differential calorimetric analysis -- crystalline mass fraction -- 0.1 Hz -- 150 to 80 C