Impression 3D de bionanocomposites et de mélanges conducteurs

par Nour alhoda Masarra

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Thèses en préparation à l'IMT Mines Alès , dans le cadre de Sciences Chimiques , en partenariat avec PCH - Polymères, composites, hybrides (laboratoire) depuis le 29-11-2018 .


  • Résumé

    Le développement de techniques de fabrication additive est très important, en raison de la possibilité de produire des formes 3D originales avec un large panneau de matériaux thermoplastiques. Plus récemment, de nouveaux développements concernent l'incorporation d'additifs fonctionnels, de micro et nano-charges dans des polymères traités à l'aide de la modélisation par dépôt fondu (FDM), l'une des principales techniques de fabrication additive utilisée dans l'industrie [Hui et al., Comp Part B, 143 (2018) 172-196)]. La famille des nanomatériaux de graphène est capable de conférer des propriétés mécaniques, thermiques et électriques exceptionnelles aux polymères hôtes. Récemment, divers types de graphène ont été incorporés avec succès dans l'ABS en utilisant la technique FDM par Dul et al. [Dul et al. , Comp. Part A, 85 (2016) 181-91] et différentes propriétés fonctionnelles ont été caractérisées. L'objectif de la thèse sera axé sur l'incorporation de divers types de graphènes, d'oxydes de graphène et d'oxyde de graphène réduit dans des biopolyesters ou de leurs mélanges avec d'autres polymères tels que le polyuréthane thermoplastique. Différents traitements de surface des nanocharges sélectionnées seront étudiés afin de favoriser une bonne dispersion dans les biopolyesters (PLA, PBS, PHA…) ainsi que d'améliorer les propriétés fonctionnelles grâce à la conception de microstructures qui seront caractérisées à l'aide de SEM, TEM et AFM. Différentes propriétés des nanocomposites seront étudiées, telles que les propriétés mécaniques, la stabilité thermique et les performances au feu (en combinaison avec des ignifugeants), ainsi que les propriétés thermiques et électriques, en fonction des paramètres du traitement d'impression 3D. De plus, les propriétés des éprouvettes produites à l'aide de la fabrication additive seront comparées à des éprouvettes traitées à la thermo-compression ou au moulage par injection. Parmi les propriétés souhaitées, qui peuvent être obtenues grâce à l'utilisation de la famille du graphène, la conductivité thermique et électrique présente un intérêt pour obtenir des matériaux à mémoire de forme à base de polymères (SMP) et en particulier des alliages à mémoire de forme. Leur utilisation par rapport à d'autres types de matériaux capables de présenter une forme de mémoire augmente en raison des multiples fonctionnalités des plastiques, notamment la densité et la capacité de traitement. Concernant l'utilisation de polymères et en particulier de mélanges de polymères, la mémoire de forme pourrait être activée par conductivité électrique et / ou thermique, en particulier pour les morphologies co-continues [Liu et al. Polymer (2017) 114, 28-35] [Molavi et al., Comp. Sci. Tech, 151 (2017) 219-227]. Certains auteurs ont créé la désignation d'impression 4D pour de telles structures complexes en forme de mémoire produites par FDM ou par d'autres techniques de fabrication additive [Khoo et al., Virtual and Physical Prototyping (2015) 10, 103-122]. Les courants électriques peuvent être utilisés pour chauffer le matériau indirectement. Ainsi, l'utilisation de charges nanométriques ou submicroniques conduisant à des effets de percolation pourrait conférer les comportements souhaités aux matériaux traités par impression 3D afin d'obtenir des formes complexes de pièces en plastique destinées à des applications biomédicales ou au traitement d'acteurs de robotique, par exemple. Le nitrure de bore pourrait également être testé pour l'activation thermique et pourrait être combiné de manière intéressante avec du graphène ou des matériaux proches

  • Titre traduit

    3D printing of conductive bionanocomposites and blends


  • Résumé

    The development of additive manufacturing techniques is very important, due to the possibility to produce original 3D shapes with a wide panel of thermoplastic materials. More recently, new developments concern the incorporation of functional additives, micro and nano-fillers in polymers processed using fused deposition modeling (FDM) which is one of the main additive manufacturing technique used in the industry [Hui et al., Comp Part B, 143 (2018) 172-196)]. Graphene family of nanomaterials is able to confer outstanding mechanical, thermal and electrical properties to host polymers. Recently, various kinds of graphene have been successfully incorporated in ABS using FDM technique by Dul et al. [Dul et al. , Comp. Part A, 85 (2016) 181-91] and different functional properties were characterized. The objective of the PhD will be focused on the incorporation of various types of graphenes, graphene oxides and reduced graphene oxide in biopolyesters or their blends with other polymers such as thermoplastic polyurethane. Different surface treatments of the selected nanofillers will be investigated in order to promote a good dispersion in biopolyesters (PLA, PBS, PHA…) as well as improving functional properties through the design of microstructures which will be characterized using SEM, TEM and AFM. Different properties of the nanocomposites will be investigated, such as mechanical ones, thermal stability and fire performance (in combination with flame retardants), also thermal and electrical properties, according to the parameters of 3D printing processing. Moreover, the properties of specimens produced using additive manufacturing will be compared with specimens processed using thermo-compression or injection moulding. Among the desired properties, which can be achieved through the use of graphene family, thermal and electrical conductivity are of interest to obtain shape-memory materials based on polymers (SMP) and particularly shape-memory alloys. Their use in comparison with other kind of materials able to exhibit memory-shape is increasing due to the multiple functionalities of plastics, particularly density and ability to process. About the use of polymers and particularly polymer blends, shape memory could be activated through electrical or/and thermal conductivity, particularly for co-continuous morphologies [Liu et al. Polymer (2017) 114, 28-35] [Molavi et al., Comp. Sci. Tech, 151 (2017) 219-227]. Some authors have created the 4D printing designation for such memory-shape complex structures produced by FDM or other additive manufacturing techniques [Khoo et al., Virtual and Physical Prototyping (2015) 10, 103-122]. Electrical currents can be used to heat the material indirectly. So, the use of nanometric or submicronic fillers leading to percolation effects could impart desired behaviours for materials processed using 3D printing to get complex shapes of plastic parts devoted to biomedical applications or to robotics actuators processing for example. Boron nitride could be also tested for thermal activation and could be interestingly combined with graphene or close materials