Renforcement des polymères par des nanocharges

Résumé du document

L'idée d'améliorer les propriétés des matériaux existe depuis toujours. En effet l'homme cherche continuellement à perfectionner les propriétés des matériaux qui l'entourent ou qu'il fabrique en les associant ou les combinant entre eux de diverses manières. C'est ce qui est communément appelé les matériaux composites. La qualification de matériaux composites peut s'appliquer à toute association intime de matériaux immiscibles qui confère aux matériaux résultant des propriétés différentes (généralement améliorées) par rapport aux matériaux initiaux pris individuellement. Dans la majorité des cas un composite peut se décrire comme une dispersion (organisée ou non) d'une ou plusieurs matières particulaires ou fibrillaires (appelée phase dispersée ou renfort) dans une matière servant de liant (matrice). Par contraste avec les microcomposites conventionnels où les dimensions ou diamètres typiques des charges sont de l'ordre de plusieurs micromètres, le nanocomposites comportent une phase dispersée dont les particules ont au moins une des trois dimensions de l'ordre du nanomètres ou quelques dizaines de nanomètres au maximum. Les nanomatériaux sont considérés comme le domaine des nanosciences qui a profité de l ‘évolution la plus spectaculaire. Ils ont mobilisé un nombre toujours croissant de chercheurs et d'ingénieurs aussi bien dans la recherche fondamentale que la recherche appliquée. Parmi eux, les nanocomposites font figures de pionniers. L'intérêt croissant dont ils sont la cible fait qu'aujourd'hui ce domaine d'étude est en perpétuelle évolution. Sous cette définition de nanocomposite sont regroupés les matériaux dont la matrice pourra être métallique, inorganique et céramique (ex : coloration rouge des vitraux du Moyen Age par dispersion de particules d'or dans du verre) ou encore organique (ex : polymère). Les applications industrielles et commerciales restent encore limitées et seulement à quelques types de matériaux. Les nanocomposites à matrice polymère et à renforts d'argile font figures de leaders au niveau des premières applications : les processus de mise en forme des polymères sont largement maîtrisés et peu coûteux et les argiles naturelles faciles à extraire. Après avoir données quelques généralités sur les différentes morphologies des nanoparticules, nous nous intéresserons aux divers procédés de fabrication des nanocomposites à matrice polymère ainsi qu'aux propriétés attendues. Nous nous attarderons ensuite plus spécifiquement sur les nanoparticules d'argiles à feuillets (montmorillonite) et les nanoparticules d'argiles fibrillaires (sépiolite) pouvant renforcer les polymères et élastomères.

Extraits

[...] Ce sont en fait des grains formés par agrégation de particules élémentaires (figure 7). Ces particules sont elles-mêmes constituées par l'empilement régulier de feuillets élémentaires séparés par l'espace interfoliaire ou galerie. Figure 7 : Microstructure de la montmorillonite Chaque feuillet est composé d'une couche octaédrique d'alumine ou de magnésie encadrée par deux couches tétraédriques externes de silice, de telle manière que la couche octaédrique ait en commun avec la couche tétraédrique ses atomes d'oxygène (figure 8). L'épaisseur du feuillet est de l'ordre du nanomètre, avec des dimensions latérales variant de quelques dizaines de nanomètres à quelques centaines de nanomètres. [...]

[...] Dans cette partie, l'essentielle des propriétés sera annoncée pour les nanocomposites polymère / argile. Quelques remarques seront tout de même données concernant les propriétés attendues pour d'autres types de nanocharges Propriétés mécaniques Une des caractéristiques des mélanges polymères/argiles est de présenter un bon compromis entre les propriétés mécaniques et la ténacité (tension nécessaire à la rupture). L'introduction de particules de montmorillonite modifiées conduit à des améliorations de propriétés mécaniques non négligeables et ce sans pertes de résistance à l'impact. Généralement la rigidité d'un échantillon soumis à une traction, pour un taux de charges en nanofeuillets aux alentours de en masse, augmente au minimum d'un facteur deux. [...]

[...] Une autre application de ces polymères nanomodifiés est le revêtement de matériaux polymères transparents. On peut ainsi augmenter leur dureté et leur résistance sans altérer les propriétés optiques. Triton Systems a démontré une amélioration de la résistance à l'abrasion et aux impacts. Les nanofeuillets de graphite et certains nanotubes de carbone sont d'excellents conducteurs électriques et thermiques. Ils peuvent par exemple servir de renforts conducteurs pour dissiper l'électricité statique dans les équipements de fabrication de disques durs ou de semi-conducteur. [...]

[...] Dans cette configuration, le matériau soumis à la flamme et à de très hautes températures, présente un taux de chaleur dégagé maximal réduit d'environ 60% par rapport à au même matériau additivé d'une charge de type hydroxyle métallique. Différentes études ont été menées dans leur laboratoire notamment sur l'incorporation de montmorillonite pontée par de l'aluminium. Ces études ont montré que la diminution du taux de chaleur dégagé est particulièrement liée à l'espacement interlamellaire alors que le temps d'ignation résulte de l'interaction de la surface de l'argile avec le polymère. Une de leur étude s'est notamment intéressée à la sépiolite comme alternative ou un additif aux hydroxydes métalliques. [...]

[...] Les applications industrielles et commerciales restent encore limitées et seulement à quelques types de matériaux. Les nanocomposites à matrice polymère et à renforts d'argile font figures de leaders au niveau des premières applications : les processus de mise en forme des polymères sont largement maîtrisés et peu coûteux et les argiles naturelles faciles à extraire. Après avoir données quelques généralités sur les différentes morphologies des nanoparticules, nous nous intéresserons aux divers procédés de fabrication des nanocomposites à matrice polymère ainsi qu'aux propriétés attendues. [...]