Elaboration and investigation of conducting polymer composites based on polyaniline and polyamide

par Kateryna Fatyeyeva

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée

Sous la direction de Mohamed Tabellout.


  • Résumé

    Parmi les conducteurs organiques, la polyaniline (PANI) est le polymère qui présente une grande stabilité environnementale et une grande conductivité électrique. Cependant, elle présente également des inconvénients tels que ses faibles propriétés mécaniques qui représentent un verrou technologique pour de nombreuses applications. Pour y remédier, une des méthodes consiste à les associer avec des polymères conventionnels pour former des composites ayant à la fois les propriétés mécaniques de la matrice et les propriétés électriques de PANI. Aussi, deux types de composites conducteurs à base de PANI et de polyamide (PA) ont été élaborés: les films composites conducteurs en surface et les composites conducteurs en volume sous forme de poudres et de films. La synthèse rationnelle et la conception de ces matériaux nécessitent l'établissement de relation synthèse-structure-propriétés. L'étude électrochimique et chimique a montré que la vitesse de polymérisation de l'aniline est déterminée par la capacité de gonflement de la matrice dans le milieu réactionnel et par la vitesse de diffusion de l'oxydant et du monomère. Trois stades de polymérisation ont été clairement identifiés pour lesquels les paramètres de la cinétique ont été calculés permettant ainsi le contrôle du processus autocatalytique de polymérisation. Les études thermique et mécanique ont montré que les propriétés de ces composites sont voisines de celles du polymère hôte pour de faibles taux de PANI. La structure en double couche des films conducteurs en surface, d'une part, et l'organisation de PANI sous forme d'amas conducteurs dispersés dans un milieu isolant, d'autre part, ont été mises en évidence par spectrométrie Raman et par microscopie. Cette organisation se traduit, sur les propriétés diélectriques, par l'apparition de relaxations de polarisation d'interface dont les fréquences de relaxation sont corrélées avec la conductivité de la surface du film. Il a été montré que la percolation des amas conducteurs, qui détermine les propriétés électriques et diélectriques du composite, dépend de la structure de la matrice. Les composites conducteurs en volume sous forme de poudre, de part leur structuration en “core-shell” (PA/PANI), présentent des conductivités voisines de celles de PANI avec des seuils de percolation très bas (<1 wt. % ). La structure “core-shell” s'est traduite par l'apparition d'une relaxation de polarisation d'interface dont la fréquence augmente avec le taux de PANI et de ce fait avec la conductivité. De part les propriétés électriques, thermiques et mécaniques obtenues, ces composites présentent de grandes potentialités d'application dans différents domaines.


  • Résumé

    Two types of composites based on polyaniline (PANI) and polyamide (PA) were elaborated by oxidative polymerisation : surface conducting polymer films with a subsurface conducting layer and bulk conducting polymers in powder and film forms. In order to determine the synthesis-structure-properties relationship, different physico-chemical methods of investigation (cyclic voltammetry, dielectric relaxation spectroscopy, thermogravimetry, microscopy, Raman spectrometry,. . . . ) were used. It is shown that the rate of the aniline polymerization process inside the polymer matrix is determined by the matrix's ability to swell in the reaction media and by the rate of oxidant and monomer diffusion into the reaction zone. Three well defined polymerization stages (induction period, propagation stage and termination stage) are observed and the kinetic parameters of the process are calculated, that enable the control of the polymerization process. It is confirmed that independently from the presence or absence of the polymer matrix (film or dispersed media) the mechanism of aniline polymerization does not change and the polymerization process follows an autocatalytic mechanism. The thermal and mechanical properties of the composites are improved as compared with pure PANI. The degradation temperature of the composite is enhanced by ~100°C. The use of organic acid-dopants leads to better mechanical characteristics due to their triple role (of a dopant, compatibilizer and plasticizer) in comparison with inorganic ones. The layered and clustered structure of the surface conducting composites is revealed by atomic force microscopy (AFM) and optical microscopy. The thickness of the conducting layer is found to be dependent on the polymer matrix structure. This organisation is traduced by the appearance of interfacial polarisation relaxation processes related to the conductive properties of the PANI clusters. The core-shell (PA grains-PANI) structure of the bulk conducting composites, as demonstrated by Resonance Raman Spectrometry, results in a high conductivity value with a low percolation threshold for the powder form of the composites. An interfacial polarisation relaxation process related to the composite structure is pointed out which relaxation frequency increases with increasing PANI content and, hence, with conductivity. Therefore, the obtained composites owning the mechanical properties of the matrix and the electrical properties of PANI are good candidates for practical application such as antistatic materials, materials for capacitors, sensors, etc.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (254 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 232 - 254

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  • Bibliothèque : Université du Maine. Service commun de documentation. Section Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 2005LEMA1005
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  • Cote : 2005LEMA1005
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