Élaboration de mousses nano-cellulaires à partir de polymères nano-structurés via un procédé de moussage physique au CO2

Preparation of nano-cellular foams from nanostructured polymer materials by means of CO2 foaming process

• Auteur / Autrice : Charlène Forest
• Direction : Philippe Cassagnau, Philippe Chaumont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux polymères
• Date : Soutenance le 21/11/2014
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Matériaux Polymères (Auvergne Rhône-Alpes ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Bernadette Charleux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Sonntag
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Lequeux, René Muller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux nanostructurés

Polymères -- Rhéologie

Viscoélasticité

Polymères

Mots clés libres

Matériaux nanocellulaires

Polymères

Viscoélasticité

Rhéologie élongationnelle

Nanostructuration

Nano-cellular materials

Polymers

Viscoelasticity

Extensional rheology

Nanostructuration

Résumé

Cette étude porte sur l'élaboration de matériaux polymères nano-cellulaires via un procédé batch de moussage au CO2. Pour obtenir de tels matériaux, le moussage est provoqué dans des matériaux polymères nano-structurés afin de favoriser la nucléation hétérogène et d'obtenir des taux de nucléation et des densités de cellules élevées. Le moussage de terpolymères ABS et de PMMAs nanostructurés a été étudié, dans le but de produire des mousses nano-cellulaires avec une faible densité (inférieure à 0.3 g.cm-3) et une taille moyenne de cellules inférieure à 100 nm, correspondant aux morphologies de mousses requises pour obtenir des matériaux super isolants thermiquement. Le phénomène de nucléation, et donc la densité de cellules, sont apparus comme dépendant directement de la concentration et de la morphologie des agents nucléants, qui correspondent dans cette étude à des phases polymères immiscibles dispersées. L'élaboration de matériaux nano cellulaires a nécessité la compréhension des mécanismes de croissances de cellules, du rôle du CO2 en tant qu'agent gonflant et plastifiant ainsi que l'optimisation du procédé de moussage. Plus précisément, l'influence du comportement viscoélastique des matériaux polymères ainsi que celle des forces de surface sur la formation de cellules a également été étudié. Il a été montré que la formation de mousse se produisait dans un milieu viscoélastique, avec un comportement variant entre celui d'un solide et d'un liquide viscoélastique, et ce en fonction de la température et de la masses molaire des polymères

This work focuses on the fabrication of nano-cellular polymer materials by means of a CO2 batch foaming process. To produce such materials, the foaming has to be induced in nano-structured polymer materials in order to favour heterogeneous nucleation and thus to obtain high nucleation rate and high cell density. The foaming of ABS terpolymers and nanostructured PMMAs was investigated, with the aim of producing nano-cellular foams with low density (lower than 0.3 g.cm-3) and an average cell size of 100 nm, which corresponds to required foam morphologies for super thermal insulating applications. It has been shown that nucleation, and thus cell density, directly depends on the content and morphology of nucleating agents, corresponding to dispersed polymer immiscible phases. The production of nano-cellular materials required the understanding of cell growth mechanisms, the role of CO2 as blowing agent and plasticiser and process optimisation. Specifically, the influence of viscoelastic behaviour of polymer materials and surface forces on cell formation was also investigated. It was found that the foaming occurred in viscoelastic media, with transitional behaviour between solid and liquid, depending on foaming temperature and molar mass of polymers