Étude de la structuration de mélanges d'élastomères chargés silice ; influence sur leurs propriétés dissipatives et de renfort

par Pauline Grau

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Didier Long et de Olivier Sanseau.

Soutenue le 01-04-2014

à Lyon 1 , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec Laboratoire Polymères et Matériaux Avancés (laboratoire) et de Laboratoire Polymères et Matériaux Avancés (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-François Tassin.

Le jury était composé de Edith Peuvrel-Disdier, Philippe Cassagnau.

Les rapporteurs étaient Jean-Charles Majeste, Jan Vermant.


  • Résumé

    Les mélanges de polymères sont fréquemment formulés en vue d'atteindre un compromis de propriétés bien spécifique. C'est notamment le cas dans les bandes de roulement d'un pneumatique, dans lesquelles l'utilisation de plusieurs élastomères permet de régler le comportement dissipatif du matériau, propriété clé au regard des performances d'adhérence et de résistance au roulement. Pour améliorer la rigidité et la tenue mécanique de la gomme, des particules minérales sont également ajoutées aux formulations de la bande de roulement, telles que la silice hautement dispersible qui permet d'améliorer les propriétés de résistance au roulement sans compromettre les propriétés d'adhérence et d'usure. Dans ce contexte, la problématique de ce travail de thèse est d'identifier les leviers permettant de modifier la localisation des charges dans un mélange d'élastomères, puis d'en comprendre l'impact sur les propriétés viscoélastiques et de renfort. La première partie s'attache donc à comprendre quels sont les paramètres influant sur la localisation de la charge dans des mélanges d'élastomères immiscible. Pour cela, l'effet des interactions entre constituants est étudié en modifiant l'état de surface de la charge, la nature de la charge ou encore la nature des élastomères. Puis l'incidence des effets cinétiques est analysée en faisant varier le ratio de viscosité des élastomères, ainsi que la procédure de mise en œuvre des mélanges. Grâce au développement d'une technique innovante en microscopie électronique permettant une caractérisation précise des morphologies de mélanges fortement chargés, le rôle dominant des interactions charge/élastomère sur la localisation finale des particules est mis en évidence dans le cas où charges et élastomères sont introduits simultanément lors du mélange, indépendamment des niveaux de viscosité des phases. Les effets cinétiques ont quant à eux un rôle essentiel sur les morphologies lorsque la silice est spécifiquement prémélangée à l'une des phases. Puis dans la seconde partie de ce travail, nous nous sommes intéressés à l'impact des différentes morphologies obtenues sur les propriétés dissipatives et de renfort des matériaux. Les propriétés viscoélastiques dans le domaine linéaire des mélanges sont tout d'abord analysées. Une relation directe est établie entre la localisation de la charge entre les phases et les propriétés dissipatives et de renfort des matériaux proche de Tg. A plus hautes températures, l'état de dispersion des charges apparaît comme étant un paramètre clé sur les propriétés de renfort. Enfin, l'étude des propriétés mécaniques à plus hautes déformations (effet Payne et tests de traction) montrent une incidence de la localisation de la charge ainsi que de son état de dispersion lorsque des interactions fortes sont considérées. Ce travail a donc permis de mettre en évidence des critères de sélection des interactions et niveaux de viscosités dans des mélanges d'élastomères chargés pour contrôler la localisation des charges, et par extension modifier les propriétés dissipative et de renfort de ces mêmes matériaux

  • Titre traduit

    Study of rubber blends structuration in the presence of silica particles ; impact of this structuration on their viscoelastic and reinforcement properties


  • Résumé

    The tradeoff in tread properties is notably controlled by the dependence in frequency of rubber dissipation: a high dissipation of energy improves wet grip at high frequencies, while it may increase rolling resistance at low frequencies. Using silica instead of carbon black has enabled an improvement of this tradeoff, but the physical mechanisms responsible of these properties are still under discussion. Besides, using polymer blends is a well-known technique to obtain materials with tailored properties, allowing for example the tuning of dissipation range and mechanical properties. These unique properties depend not only on the miscibility state of rubbers, but also on rubber phase morphology and particles distribution between phases. In this context, the issue of this work is to understand which parameters enable the modification of filler location between phases, and then to identify the impact of the various morphologies on the viscoelastic and reinforcement properties. We first study the impact of fillers on blends structuration by first varying interactions parameters between the three components (polymer A, polymer B, silica) to obtain various morphologies. It also has been shown that final blends morphologies depend also on rheological parameters. Thus the impact of process and rubber viscosities is studied, in an attempt to decorrelate the influence of rheology and interactions on blend structuration. To study reinforced rubber blends morphologies, a new microscopy technique has been developed to obtain a very clear viewing of silica in the different rubber phases. Then, the blends viscoelastic properties in the linear regime are investigated. Close to Tg, a direct relationship between filler location and dissipative and reinforcement properties is established. At higher temperatures, the filler state of dispersion appears to be a key parameter on reinforcement properties. Finally, the investigation of blends mechanical properties at larger deformations shows and impact of filler location but also filler dispersion when strong interactions are involved. Thanks to the different tools developed, we define criteria to control filler location in immiscible rubber blends, which enables a modification of their dissipative and mechanical properties


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