Development of sub-micro structured composites based on an epoxy matrix and pyrogenic silica : mechanical behavior related to the interactions and morphology at multi-scale
par Elodie Bugnicourt
Thèse de doctorat en Matériaux polymères et composites
Sous la direction de Jean-François Gérard et de Jocelyne Galy.
Soutenue en 2005
à Lyon, INSA .
mots clés-
Titre traduit
= Développement de composites sub-micro structurés composés d'une matrice époxy et de silice pyrogénée : comportement mécanique en fonction des interactions et de la morphologie multi-échelle
-
Résumé
Les réseaux époxys présentent des propriétés insuffisantes pour certaines applications, en particulier à cause de leur fragilité. L'objectif de ce travail était de développer des composites à matrice époxy-amine et charges de silice pyrogénée afin d'améliorer les propriétés mécaniques des époxys pour des utilisations comme revêtements, adhésifs ou matériaux de structure. La silice pyrogénée a été fréquemment employée pour renforcer des élastomères ou dans un but de modification rhéologique, mais peu d'études traitent de l'addition de silice pyrogénée dans des réseaux thermodurcissables. Contrairement aux additifs conventionnels (organiques ou micro-charges), les charges sub-microniques permettent généralement d'augmenter à la fois la rigidité et la ténacité des matériaux polymères, tendance qui a été vérifiée dans ce travail pour la silice pyrogénée. En faisant varier la nature des comonomères époxy-amine et de la modification chimique de la surface de la silice, la nature des interactions développées au sein du système a pu être modulée (liaisons covalentes vs. Interactions physiques) et l'influence de la silice pyrogénée a pu être étudiée à la fois sur des réseaux dans l'état caoutchoutique et vitreux à température ambiante. Un des principaux défis de cette étude était le contrôle de l'état de dispersion de la silice grâce à l'optimisation de chaque étape du procédé. Les morphologies ont été caractérisées à de multiples échelles tout au long de la mise en œuvre par diverses techniques complémentaires. Une attention particulière a été portée aux interactions effectivement développées entre les charges et la matrice. Le comportement mécanique des matériaux a été caractérisé par analyse mécanique dynamique, test de traction et mécanique de la rupture. Les relations entre la structure et le comportement mécanique des composites époxy / silice pyrogénée ont enfin été discutées afin de comprendre les mécanismes de renforcement impliqués. L'effet de la silice a également été investigué sur les propriétés thermiques et la résistance au feu des réseaux époxys.
-
Résumé
Epoxy networks are known to present insufficient mechanical properties for certain applications, especially due to their brittleness. This work was aimed at developing novel composites based on an epoxy matrix and pyrogenic silica in order to enhance mechanical properties of epoxys for applications such as coatings, adhesives or structural materials. Pyrogenic silica has been extensively used in order to reinforce rubbers and for rheological modifications, but only few studies deal with the addition of fumed silica into thermosetting polymers. Unlike conventional additives (organic modifiers or micro-fillers), sub-micronic fillers generally allow increasing both the toughness and the stiffness of polymeric materials, trend also checked in this work in case of fumed silica. In this study, the natures of epoxy-amine comonomers generating the matrix, as well as those of silica surface modification were varied in order to design finely the interactions developed in the system (covalent bonding vs. Physical interactions) and investigate the influence of silica on networks both in the rubbery and glassy states at room temperature. One of the main challenges consisted in controlling silica dispersion state thanks to the optimization of the different steps of the processing. The morphology was characterized at multi-scale at various stages of the processing by complementary techniques. A particular attention was paid to the interactions effectively developed at the interface between the filler and the matrix. The mechanical behavior of the materials was investigated using mechanical dynamic analysis, tensile test and fracture measurements. The relationships between the structure and mechanical behavior of epoxy / pyrogenic silica composites were finally discussed in order to understand the reinforcement mechanisms involved. The effect of silica on the thermal behavior and fire resistance of epoxy networks was also characterized.
