Perméation des gaz dans les polymères semi-cristallins par modélisation moléculaire, Gas permeability in the semi-crystalline polymers using  molecular modelling

Perméation des gaz dans les polymères semi-cristallins par modélisation moléculaire, Gas permeability in the semi-crystalline polymers using molecular modelling

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Sous la direction de Bernard Rousseau
Thèse soutenue le 16 février 2011: Paris 11
La perméabilité aux gaz et aux liquides des matériaux polymères est une propriété qui est mise à profit dans de nombreux domaines industriels. Cette thèse est effectuée dans l'optique de mieux appréhender la problématique de l'étanchéité des conduites flexibles par les polymères. Ainsi, les perméabilités de H2S, CO2 et CH4 dans le polyéthylène (PE) ont fait l'objet d'une étude effectuée dans le contexte de cette thèse. La perméabilité est une propriété qui résulte de la solubilisation des gaz dans le polymère puis de la diffusion de ces produits à travers la matière. La solubilité, qui caractérise l’aptitude d’un gaz à pouvoir s’absorber dans le polymère, est une propriété d’équilibre, qui pourra être étudiée par les techniques de Monte Carlo. La diffusion, qui caractérise l’aptitude d’un gaz à se mouvoir plus ou moins rapidement dans le réseau polymère, sera quant à elle, étudiée par dynamique moléculaire. Au dessous de la température de fusion, le polyéthylène est à l'état semi-cristallin. Cet état est composé de régions contenant des chaînes orientées aléatoirement (régions amorphes) et des régions contenant des chaînes orientées sur un réseau (régions cristallines). La morphologie complexe des polymères semi-cristallins présente des hétérogénéités de dimensions nanométriques, ce qui est difficilement accessible par la simulation moléculaire. A fin d'étudier la solubilité et la diffusion de gaz dans le polyéthylène semi-cristallin, nous modéliserons uniquement la phase amorphe au cours de ce travail. Par contre, l’effet des régions cristallines sur la phase amorphe sera pris en compte dans la simulation par une contrainte ad-hoc.
-Simulation moléculaire
-Monte Carlo (méthode de simulation)
-Dynamique moléculaire
-Solubilité
-Diffusion
-Polymère
-Semi-cristallin
-Gaz
-Etanchéité
-Conduites flexibles
-Polyéthylène
The gas permeability through the polymers is a property that is exploited in many industrial fields. The objective of this thesis is to better understand the problem of sealing of flexible pipes with polymers. Thus, the permeability of H2S, CO2 and CH4 in polyethylene (PE) was studied during this work. Permeability is a property resulting from the dissolution of gases in the polymer and then diffusion of these products through the material. Solubility, which characterizes the ability of a gas to be absorbed in the polymer, is a property of equilibrium, which can be studied by Monte Carlo techniques. Diffusion coefficient, which characterizes the ability of a gas to move more or less rapidly into the polymer network, will in turn studied by molecular dynamics.Below the melting temperature, polyethylene is in semi-crystalline state. This state is composed of regions containing randomly oriented chains (amorphous regions) and regions containing chains oriented regularly on a network (crystalline regions). The complex morphology of semi-crystalline polymers has nanometric heterogeneities, which is not easily accessible by molecular simulation. In order to study the solubility and diffusion coefficient of gases in semi-crystalline polyethylene, we model only the amorphous phase in this work. However, the effect of crystalline regions on the amorphous phase will be taken into account in the simulation by an ad-hoc constraint.
-Molecular simulation
-Monte Carlo (simulatio method)
-Molecular dynamics
-Solubility
-Diffusion
-Polymer
-Semi-crystalline
-Gas
-Sealing
-Flexible pipeline
-Polyethylene
Source: http://www.theses.fr/2001PA112016/document

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Ajouté le 24 octobre 2011
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Langue Français
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Universite Paris-Sud 11
U.F.R. Scienti que d’Orsay
Permeation des gaz dans les polymeres
semi-cristallins par modelisation moleculaire
These presentee pour obtenir le grade de
Docteur en Sciences de l’Universite Paris-Sud 11
par
Peyman Memari Namin
Soutenue le 16 fevrier 2011 devant le jury compose de :
Michele Desouter-Lecomte Professeur, Universite Paris-Sud 11 Examinateur
Veronique Lachet Ingenieur, IFP Energies nouvelles
Agilio Padua Professeur, Universite Blaise Pascal Rapporteur
Patrice Paricaud Ma^ tre de Conferences, ENSTA ParisTech Examinateur
Bernard Rousseau Directeur de Recherche, Universite Paris-Sud 11 Directeur de these
Victor Teboul Ma^ tre de Conferences, Universite d’Angers Rapporteur
tel-00580716, version 1 - 29 Mar 2011tel-00580716, version 1 - 29 Mar 2011Remerciements
Tout d’abord, je tiens a remercier le Professeur Mehran Mostafavi, directeur du
Laboratoire de Chimie Physique. Je suis heureux de pouvoir lui exprimer ici ma
profonde gratitude, pour m’avoir dirige et guide au cours de ce travail. Sa culture
scienti que, son soutien et la con ance qu’il m’a toujours temoignee ont ete des fac-
teurs essentiels au bon deroulement de cette these. Il a su m’aider lors des moments
de detresse.
Je souhaite rendre hommage a l’IFP Energies nouvelles pour m’avoir permis
d’e ectuer ce travail dans d’excellentes conditions et pour la qualite des formations
que j’ai pu y suivre. Je remercie en particulier Veronique Lachet d’avoir accepte la
responsabilite industrielle de ce travail. J’ai pro te durant ces trois annees de ses
competences scienti ques. Je salue et remercie egalement Nicolas Ferrando pour la
collaboration que nous avons pu avoir ensemble. Je remercie egalement Pascal Mou-
gin, Jacques Jarrin et Herve Toulhoat de l’IFPEN. Ils ont toujours ete presents pour
repondre a mes questions et pour me faire pro ter de leur experience professionnelle.
J’exprime ma reconnaissance a messieurs Agilio Padua et Victor Teboul pour
avoir accepte d’^etre rapporteurs de cette these ainsi que monsieur Patrice Paricaud
et madame Michele Desouter-Lecomte pour avoir accepte d’^etre membre de jury.
Je remercie egalement Jean-Marie Teuler de m’avoir aide a resoudre les innom-
brables di cultes que j’ai rencontre dans le code Gibbs. J’adresse de chaleureux re-
merciements a tous les membres du Laboratoire Chimie Physique pour leur accueil,
leurs encouragements, et leur soutien. Je tiens tout particulierement a remercier
Sevrine Bourguignon et Marie-Fran coise Lecanu pour leur precieuse aide adminis-
trative ainsi que Abdelfattah Halim pour son inestimable aide informatique. Mes
remerciements vont a Bernard Rousseau pour avoir encadre mes travaux de these.
Je tiens aussi a remercier mes collegues en compagnie desquels j’ai pu tra-
vailler : Pierre-Arnaud Artola, Van-Oanh Nguyen-Thi, Mohamed Elhiyani et Hedi
Amrouche.
Je remercie egalement ma mere pour toute l’attention qu’elle m’a accordee, sans
oublier les autres membres de la famille. En n, je voudrais dedicacer cette these a
mon epouse Fatemeh, qui m’a toujours soutenu et sans qui cette these n’aurait pas
ete possible.
tel-00580716, version 1 - 29 Mar 2011tel-00580716, version 1 - 29 Mar 2011Table des matieres
1 Introduction 1
1.1 Motivation industrielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Contexte de la these . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 De nition de la permeabilite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Inter^et d’une approche par modelisation . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Di culte dans les materiaux semi-cristallins . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6 Plan du manuscrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Morphologie semi-cristalline et ses consequences sur la modelisation 9
2.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Structure generale d’un polymere semi-cristallin . . . . . . . . 9
2.1.2 Techniques experimentales pour l’etude de la structure des
polymeres semi-cristallins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.3 Structure de l’interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Morphologie et permeabilite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 Etude de la solubilite dans les polymeres semi-cristallins . . . 22
2.2.2 de la di usion dans les polymeres . . . . 24
2.2.3 Vers une description plus realiste . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Consequence sur la modelisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Methodes retenues 37
3.1 Mecanique statistique et modelisation moleculaire . . . . . . . . . . . 37
3.2 Methode Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.1 L’algorithme de Metropolis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.2 Mouvements Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.3 Les ensembles statistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.4 Le potentiel chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 Dynamique moleculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1 Equations du mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.2 Thermostat de Nose-Hoover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.3 Integration des equations du mouvement . . . . . . . . . . . . 48
3.4 Modeles moleculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.1 Potentiels inter-moleculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.2 Potentiels intra-mol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.3 Parametres de potentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4 De l’amorphe au semi-cristallin 59
4.1 Donnees experimentales de solubilite . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 Calcul de la solubilite dans l’ensemble osmotique . . . . . . . . . . . . 63
4.3 Gon ement du polymere en presence du gaz . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4 Calcul de la solubilite dans l’ensemble Grand Canonique . . . . . . . 68
tel-00580716, version 1 - 29 Mar 20114.5 E et de longueur de cha^ ne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.6 E et de la temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5 Solubilite des melanges de gaz 81
5.1 Inter^et de l’etude des melanges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2 Notions generales sur les melanges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3 Melanges binaires : resultats des simulations dans l’ensemble osmotique 83
5.4 Melange ternaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6 Permeabilite des gaz purs 107
6.1 Estimation des coe cients de transport dans la phase amorphe a
partir de donnees experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.2 Di usion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.2.1 De l’autodi usion a la di usion ckienne . . . . . . . . . . . . 109
6.2.2 Calcul du coe cient de di usion par dynamique moleculaire . 112
6.3 Permeabilite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.4 E et de la temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7 Conclusion et perspectives 127
Bibliographie 131
A Formalismes sur le processus de di usion 139
B Mesures experimentales des parametres de transport 145
C Comportement en temperature des parametres de transport et loi
d’Arrhenius 147
D Parametres des simulations 149
D.1 Simulations Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
D.2 Simulation de dynamique moleculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
tel-00580716, version 1 - 29 Mar 20111
1 Introduction
1.1 Motivation industrielle
La permeabilite des materiaux polymeres aux gaz et aux liquides est une pro-
priete qui est mise a pro t dans de nombreux domaines industriels. Gr^ ace a leur
caractere impermeable, les polymeres rentrent dans la fabrication de la vaisselle, des
reservoirs de liquides, des v^etements, etc. Des polymeres relativement impermeables
comme le polyethylene, le polypropylene ou le polyamide sont par exemple utilises
dans l’emballage alimentaire (cf. gure 1). Dans le domaine medical les polymeres
sont utilises pour isoler le medicament avant l’absorption nale dans le corps. Dans
le secteur du transport d’energie par exemple, l’etancheite des tuyaux est assuree
par des polymeres comme le polyethylene haute densite, le polyamide 11 ou le po-
ly uorure de vinylidene.
Dans tous les exemples precedemment cites, moins les polymeres sont permeables
plus ils sont sollicites comme barriere etanche. Cependant, il y a des applications
dans lesquelles la permeabilite des polymeres vis- a-vis de certains gaz est favorisee.
C’est le cas de la separation des gaz par les membranes polymeres. Dans ce cas les po-
lymeres sont utilises sous forme de membranes nes permeables pour certains gaz et
etanches pour d’autres gaz. La separation des melanges CO /H par les membranes2 2
de polyethylene terephthalate en est un exemple. Les membranes polymeres sont
egalement utilisees pour la desalinisation de l’eau. L’utilisation de polymere dans
toutes ces applications demande une connaissance approfondie de la permeabilite des
gaz dans ce type de materiau. Cela peut se faire par le biais d’etudes experimentales
et theoriques sur les systemes gaz/polymere.
Figure 1 { L’application des polymeres dans la vie quotidienne pour leur etancheite
a) a gauche : l’emballage des produits alimentaires par le polyethylene b) au centre :
les vaisselles a base de polypropylene c) a droite : isolation du fromage par deux
couches de polymere. La couche exterieure est du polyamide pour emp^echer l’air
d’entrer dans le sac. Le polyethylene est utilise dans la couche interieure pour ^etre
en contact avec la nourriture.
tel-00580716, version 1 - 29 Mar 20112 1.2 Contexte de la these
1.2 Contexte de la these
Cette these est e ectuee dans le cadre d’une bourse industrielle Cifre en parte-
nariat avec le Laboratoire Chimie Physique (LCP) de l’Universite Paris-Sud 11 et
l’IFP Energies nouvelles dans l’optique de mieux apprehender la problematique de
l’etancheite des conduites exibles par les polymeres. On introduit maintenant la
technologie des exibles et ses applications dans l’industrie petroliere.
Les fonds marins sont des reserves potentiellement gigantesques pour les com-
bustibles fossiles mais en raison de leur inaccessibilite ils sont tres peu exploites.
L’installation de plateformes petrolieres en mer demande un niveau technologique
d’autant plus eleve que les gisements sont plus profonds. La gure 2 montre les
di erents types de plateformes petrolieres en fonction de la profondeur du fond de
mer. Les plateformes xes, qui sont reposees sur le fond marin, sont utilisees dans la
limite des profondeurs inferieures a 300 metres environ. Pour exploiter des gisements
se trouvant a de plus grandes profondeurs, des plateformes ottantes sont utilisees.
Elles sont reliees aux t^etes de puits, installees sur le fond marin, par des conduites
exibles appelees risers .
c
Figure 2 { Les di erents types de plateformes sous-marines BOEMRE
La pression autour d’une conduite exible est tres grande, d’une part a cause de
la pression hydrostatique de l’eau profonde a l’exterieure de la conduite et d’autre
part a cause de la pression des gaz contenus dans le brut a l’interieur. La pression
peut valoir jusqu’ a 100 MPa, et la temperature peut aller de 4C en eaux profondes
jusqu’ a 180 C pour certains puits. La problematique est l’etancheite des exibles
dans ces conditions de pression et de temperature a la fois vis- a-vis de l’eau externe
et vis- a-vis du gaz interne, ainsi que de garder la conduite toujours exible. Pour
cela di erents polymeres sont employes dans la fabrication des conduites exibles
tel-00580716, version 1 - 29 Mar 20111.2 Contexte de la these 3
pour leur aspect d’etancheite et aussi pour leurs proprietes mecaniques.
La structure d’une conduite exible peut varier d’une application a l’autre. Une
structure type est representee sur la gure 3. Ils sont composes de couches successives
d’acier et de polymere. L’armature metallique interieure resiste a la pression interne
et a la compression. Les armatures externes resistent aux changements axiaux et
protegent des contraintes de torsion. Les metaux de ces armatures peuvent ^etre
rapidement corrodes du^ aux gaz acides contenus dans le brut. A n de prolonger la
duree de vie des armatures, une couche de polymere est inseree entre les couches
d’acier. Une autre couche de polymere a l’exterieur emp^eche la corrosion du tuyau
par l’eau de mer.
Les polymeres les plus utilises dans les conduites exibles sont le polyethylene
(PE), le poly uorure de vinylidene (PVDF) et le polyamide (PA11). Ces materiaux
polymeres sont censes ^etre etanches vis- a-vis des gaz comme H S, CO et CH qui2 2 4
se trouvent dans les uides transportes. Ainsi, les permeabilites de H S, CO et CH2 2 4
dans le polyethylene (PE) ont fait l’objet d’une etude e ectuee dans le contexte de
cette these.
c
Figure 3 { Structure classique d’une conduite exible Technip
Les parametres de transport de H et N dans le polyethylene ont egalement2 2
ete etudies pendant cette these avec des objectifs completement di erents. L’hy-
drogene est considere comme une alternative energetique au gaz naturel dans le
futur. La possibilite de transport d’hydrogene avec le reseau actuel de distribution
de gaz qui est majoritairement constitue de polyethylene a fait l’objet de recentes
etudes a l’IFP Energies nouvelles. Les polymeres sont souvent en contact avec de
l’air. L’azote est le principal constituant de l’air pour lequel il est egalement impor-
tant de conna^ tre les parametres de transport dans ces materiaux. C’est pourquoi
tel-00580716, version 1 - 29 Mar 2011