Comportement mécanique d'élastomères chargés : influence de l'adhésion charge-polymère : influence de la morphologie

par Julien Ramier

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de Catherine Gauthier et de Laurent Chazeau.

Soutenue en 2004

à Lyon, INSA , en partenariat avec GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA) (laboratoire) .

mots clés

• Composites
• Élastomères
• Silice
• Silane
• Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Résumé

Afin de comprendre les mécanismes de renforcement d'une matrice élastomère par des charges nanométriques, cette étude s'est focalisée sur la nature des interactions à l'interface charge - matrice en fonction du traitement de surface de la charge et leur influence sur les propriétés mécaniques. Dans ce but, des agents de recouvrement et un agent de couplage ont été utilisés afin de modifier l'interface d'un système SBR-Silice. Afin de pouvoir interpréter le comportement mécanique de ces matériaux, l'influence de ces traitements au niveau de la dispersion de la charge au sein de la matrice et sur la réticulation a été évaluée. Il s'avère que le procédé de mise en œuvre utilisé dans cette étude est tel que la dispersion des charges au sein de la matrice n'est pas influencée par les traitements de la silice. L'étude de l'interface silice matrice a permis de révéler l'influence de la quantité introduite d'agent de greffage et de leur taille, sur l'encombrement stérique en surface et la quantité d'interactions avec la matrice. Les traitements permettent de limiter les interactions physiques entre la matrice et la charge dans le cas des agents de recouvrement mais également de former des liaisons covalentes dans le cas l'agent de couplage. Les traitements de la surface de la silice permettent également de limiter les hétérogénéités de réticulation au sein de la matrice. La caractérisation mécanique a été réalisée aux petites déformations par spectrométrie mécanique en fonction de la température et en fonction de la déformation. Ces mesures ont permis de mettre en évidence l'influence des interactions charge -charge et charge - matrice sur l'effet Payne. Un modèle de réseau constitué de sous structures (agglomérats) reliées entre elles par une couche de polymère lié a été proposé pour interpréter l'ensemble des résultats. De plus, la présence de liaisons covalentes entre la matrice et la charge permet de limiter les interactions de nature réversible et de prévenir de l'endommagement pour les plus grandes déformations. Les essais en traction montrent une chute du renforcement quand on cherche à limiter les interactions physiques, alors que la présence des liaisons covalentes l'améliore en augmentant le degré de réticulation globale. De plus elles retardent également en déformation et en contrainte l'apparition de décohésions à l'interface entre la charge et la matrice. Le transfert de contraintes avant la décohésion permet alors une réorganisation plus importante des sous structures (agglomérats)

Titre traduit

= Mechanical behaviour of filled elastomers, the influence of filler adhesion to polymer and the influence of morphology

Résumé

To understand the reinforcement mechanisms of filled elastomers, this study has been focused on the interactions of the interface filler– matrix (silica-SBR), based on the surface treatment of the filler and its influence on the mechanical behaviour. Covering and coupling agents have been used to modify the interface. However, any interpretation of the mechanical behaviour must take into account the influence of these treatments from a filler dispersion point of view. The characterisation of dispersion has not shown a difference between the silica treatments. The studying of the silica-matrix interface has shown the influence of the treatment in terms of introduced quantity and size, on the steric hindrance and the interaction quantity with the matrix. This treatment limits the physical interactions between the matrix and the filler with covering agents, but encourage the covalent bonds with coupling agent. The mechanical characterisation of the small deformations is done by mechanical spectrometry depending on temperature and deformation. These measurements have highlighted the influence of the interaction filler-filler and filler-matrix on the Payne effect, in a model made of agglomerates linked to each other by the bound rubber. The existence of covalent bonds between the matrix and the charge reduces damaging for higher deformations. For large deformations, tensile tests have shown a decrease of the reinforcement when searching to limit the physical interactions and an increase with the presence of covalent bonds by increasing its crosslinking degree. They also delay the apparition of interfacial decohesions between the filler and the matrix by a reorganisation of the agglomerates.