Élaboration, caractérisation et étude du comportement mécanique des nanocomposites polymères-argiles

Preparation, characterization, and investigation of the mechanical behavior of polymers-clays nanocomposites

• Auteur / Autrice : Rodrigue Matadi Boumbimba
• Direction : Jean-Georges Sieffert, Saïd Ahzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polyméthacrylate de méthyle

Contraintes (mécanique)

Nanocomposites

Mots clés libres

Cloisites

Résumé

Les nanocomposites polymères/argiles sont une nouvelle classe de matériaux constituée d’une phase organique (polymère) et d’une phase inorganique (argile). Comparés aux polymères et aux composites conventionnels, ces matériaux présentent des propriétés nettement améliorées et ceci à des concentrations en nanocharge très faibles (entre 1 et 5%). Cette amélioration des propriétés concerne aussi bien les propriétés thermiques (stabilité thermique, température de transition vitreuse, tenue au feu), de barrières, que les propriétés mécaniques dans certains cas (module d’Young, contrainte d’écoulement). L’amélioration des propriétés est liée à la bonne dispersion des nano-plaquettes d’argile dans la matrice polymère et au type de morphologie obtenu après mélange (intercalée ou exfoliée). Ce travail de thèse a pour but d’établir une corrélation entre nanostructure et propriétés thermomécaniques des nanocomposites. Pour ce faire nous avons tout d’abord élaboré des nanocomposites à base de poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) et d’argile organophile (cloisites 20A (C20A) et 30B (C30B)) en utilisant la technique de mélange à l’état fondu. La seconde partie de notre étude a consisté à caractériser (état de dispersion et propriétés thermomécaniques) les deux nanocomposites obtenus. Enfin dans la troisième partie de notre travail, nous avons proposé des modèles micromécaniques pour décrire la contrainte d’écoulement et le module d’Young en prenant en compte les effets de la vitesse de déformation, de la température, et de la concentration en nanocharge. Les résultats de caractérisation de la dispersion et de la morphologie par microscopie électronique en transmission (MET) et par diffraction des rayons X (DRX) ont montré une bonne dispersion des deux cloisites dans la matrice PMMA, le système PMMA/C30B présentant une morphologie exfoliée. Le système PMMA/C20A présente une structure exfoliée à faible concentration (entre 1 et 2%), et intercalée au delà. En ce qui concerne les propriétés thermomécaniques, nous observons une augmentation du module d’Young et de la contrainte d’écoulement avec la concentration en nanocharge pour les deux nanostructures. Nous notons également une augmentation de la température de transition vitreuse et une amélioration de la stabilité thermique du PMMA en présence des cloisites. Les modèles micromécaniques utilisés prédisent correctement la contrainte d’écoulement et le module d’Young.

Polymers clay nanocomposites are a news class of materials composed by an organic phase (polymer) and an inorganic phase (clay). These materials could have unique properties, compared to pure polymers, or conventional composites, and that just for a few amount of clay (between 1 and 5wt %). This performance improvements concerns high thermal stability, high heat distortion, excellent barriers properties against gas and water, high Young’s modulus and yield stress. The enhancement in properties is due to a good dispersion of the organoclay in the polymer matrix and the final nanostructure of the material (intercalated, or exfoliated). This work aims to establish a correlation between the nanostructure and thermo mechanical properties of nanocomposites. To do this, we first prepared poly (methyl methacrylate) (PMMA) based organoclay (C30B, C20A) nanocomposites, using the melt intercalation technique. The second part of our study was to characterize (state of dispersion, morphology and thermo mechanical properties) the two nanocomposites obtained. In the third part of our work, we propose some micromechanical models to describe the yield stress and Young’s modulus, by taking to account of temperature, strain rate, and organoclay concentration effects. Transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction (XRD) showed a good dispersion of both C30B and C20A in the PMMA matrix. The nanocomposite PMMA/C30B presents an exfoliated morphology, and the nanocomposite PMMA/C20A an exfoliated structure at low concentration (1wt %, 2wt %), and an intercalated morphology beyond 2wt%. Regarding the thermo mechanical properties, we observed an increase of both Young’s modulus and yield stress with increasing organoclay concentration for the two nanocomposites. We also note an increase of the glass transition temperature, and an improved thermal stability of nanocomposites compared to that of the pure PMMA. The micromechanical models used, correctly predict the yield stress and Young’s modulus.