Mise en forme des thermoplastiques chargés de nanotubes de carbone : application à la microinjection de Polyamide 12

Processing of thermoplastics filled by carbon nanotube : application to micoinjection molding of polyamide 12

• Auteur / Autrice : Sophie Versavaud
• Direction : Gilles Régnier, Michel Vincent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Matériaux
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanocomposites

Spectroscopie proche infrarouge

Nanotubes de carbone

Résumé

L'addition de nanotubes de carbone multiparois (MWNT) dans une matrice de polyamide 12 (PA 12), électriquement isolante, permet d'augmenter les propriétés électriques vers un comportement conducteur. Cette modification est influencée par l'arrangement des MWNT en chemins de conduction qui permettent le transfert des charges électriques entre deux électrodes. La conductivité électrique des nanocomposites isotropes atteint une valeur asymptote (~10-2 S. M-1) pour des teneurs supérieures à 1,2% en masse (seuil de percolation électrique). En microinjection, les nanocomposites sont soumis à des taux de cisaillement très élevés (~104 s-1) et des gradients de températures extrêmes, qui conditionnent fortement la microstructure et les propriétés électriques de pièces mises en forme par ce procédé. Cette thèse a eu pour but d'expliquer l'influence de la vitesse de cisaillement (0,02 s-1 - 1 s-1) et la vitesse de refroidissement (3 °C. Min-1) sur l'évolution des propriétés électriques du nanocomposite PA12/MWNT. L'analyse de ces propriétés a permis de déduire, à l'état fondu, l'évolution de l'arrangement de MWNT dans cette fenêtre de conditions. Dans les pièces microinjectées, nous constatons une perte complète du comportement conducteur dans la direction normale au plan d'écoulement et une chute de la conductivité dans les directions d'injection et transverse. Ces faits suggèrent alors un arrangement en forme d'agrégats faiblement orientés dans le plan d'écoulement, qui est corroboré par la très large distribution d'orientation déterminée par l'analyse en spectroscopie Raman des pièces micro-injectées. Lors du procédé de microinjection, les agrégats de MWNT seraient alors cassés dans des agrégats plus petits, mais fortement déconnectés les uns des autres, expliquant ainsi la chutedes propriétés électriques mais aussi l'observation d'une microstructure quasi isotrope à l'échelle macro et micro

Addition of multi-walled carbon nanotubes (MWNT) into a polymer matrix of polyamide 12(PA 12), typically an electrical insulator, can make the whole system electrically conductor. Thearrangement of MWNT in conduction pathways would be the responsible for the conduction ofelectrical charges through the material. Electrical conductivity on isotropic nanocomposites may reach an asymptotic value (~10-2 S. M-1) for MWNT content above 1,2 wt% MWNT (percolation threshold). In microinjection molding, high shear rates (~104 s-1) as well as severe temperature gradient are imposed to the nanocomposite leading to specific microstructures which determine at the same time the electrical properties. In this work, we were interested in studying the evolution of MWNT microstructure inside the melt PA 12 matrix (by rheological tests coupled withdielectric properties measurements) under particular shear rates (from 0,02 to 1 s-1) and coolingrate (3 °C. Min-1) conditions. Besides, a total loss of conduction pathways in the normal direction to the flow plane is revealed when measuring the electrical conductivity on the microinjected samples. Moreover, a reduction of the in-plane conductivity was observed in comparison with the isotropic samples. Previous results suggest an arrangement in the form of weakly oriented MWNT clusters which was confirmed by the wide orientation distribution determined by Raman spectroscopy. In fact, during microinjection molding, initial MWNT aggregates would be broken into disconnected smaller ones which could explain the generalized loss of electric properties and the almost isotropic microstructure revealed at the macro and micro scale