Etude des relations Structure : Propriétés mécaniques de thermoplastiques renforcés par des particules inorganiques nanoscopiques

par Emmanuelle Reynaud

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Catherine Gauthier.

Soutenue en 2000

à Lyon, INSA , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA) (laboratoire) .

mots clés

• Composites
• Silice
• Bentonite
• Polymères
• Matériaux -- Propriétés mécaniques
• Matériaux -- Fatigue

Résumé

Ce travail de thèse s'inscrit dans l'étude des relations entre paramètres morphologiques et propriétés mécaniques de systèmes composites à matrice polymère renforcés par des particules inorganiques submicroniques. La présente démarche s'appuie sur l'analyse de trois familles de polymères chargés, dont la complexité structurale est croissante : le premier système se compose d'une matrice de polyméthyl méthacrylate et de renforts de silice, la seconde famille est issue de l'association de polyamide 6 et de silice, le dernier polymère renforcé a pour constituants le PA6 et la montmorillonite. Dans une première étape, la caractérisation morphologique a permis l'étude de l'influence de la présence de renforts inorganiques sur le polymère environnant (sur les zones amorphes et cristallines), et la différentiation des états de dispersion (et d'orientation dans les cas adéquats) des particules dans la matrice, en fonction de la voie d'élaboration, de la taille des particules élémentaires ou du traitement de surface employé. Puis le rôle de différents paramètres morphologiques (fraction volumique, facteur de forme ou état de dispersion du renfort) sur les propriétés mécaniques (élasticité et déclenchement de la plasticité) de ces systèmes a été analysé et comparé pour les différents systèmes étudiés. Les données expérimentales ont été confrontées à quelques approches de mécanique, afin d'évaluer au mieux les différences morphologiques à la base des effets macroscopiques observés. Finalement, dans les familles à matrice PA6, l'étude a pu être poursuivie jusqu'aux grandes déformations (à température ambiante). L'utilisation de techniques d'investigation complémentaires (diffusion aux petits angles et mesures de variation de volume) a permis de proposer des séquences d'endommagement conduisant à la rupture. Etant donnés les paramètres entrant alors en jeu, les évènements suggérés apparaissent comme propres à chaque système testé.

Titre traduit

= A study on the relationships between structure and mechanical properties in thermoplastics filled with nanoscopic inorganic particles

Résumé

The works aims to correlate some morphological parameters and the mechanical properties in composite systems based on polymer matrix reinforced by submicronic inorganic fillers. The thought process lies on the study of three distinct filled polymer systems, their internal structure being all the more complex. The first system consists of a polymethyl methacrylate matrix filled with silica nanoparticles. The second system has polyamide 6 as a matrix and silica as fillers. The last system results from the clay introduction to polyamide 6/ First a morphological investigation enables to get insight into the filler influence on the surrounding polymer matrix. It also enlightens the various filler dispersion states (and its possible orientation within the sample geometry) with respect to the composite nature (in particular the inorganic particle size or its surface treatment) and its elaboration route. Then the study focuses on the role played by various morphological parameters (filler fraction, aspect ratio and dispersion state) on some mechanical properties, both elastic and plastic (through an investigation around the yield point). The latter properties were analysed on the various studied systems and compared. The experimental data were further confronted to some mechanical approaches, in order to better identify the morphological parameters leading to the observed macroscopic behaviours. Eventually, on the composites based on PA6, a possible sequence of the damage mechanisms occurring with increased elongation at room temperature was proposed, thanks to complementary experimental observations (through scattering and volume changes measurements). Given the involved parameters, each system was found to be characterised by a particular sequence of events.