Etude et développement de non-tissés fait en nanofibres composites obtenues par électrofilage

Study and Development of Nonwovens made of Electrospun Composite Nanofibers

• Auteur / Autrice : Sliman Almuhamed
• Direction : Laurence Schacher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 14/12/2015
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et mécanique textiles (Mulhouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Non-tissés

Nanofibres

Mots clés libres

Nanofibres

Électrofilage

Composite

Fonctionnalisation

Non-tissé

Nanotube de carbone multi-voies

Silice mésoporeuse ordonnée de type SBA-15

Montmorillonite sodique (MMT-Na)

Nanofibers

Electrospinning

Composite

Functionalization

Nonwoven

Multiwalled carbon nanotube

SBA15 ordered mesoporous silica

Na-MMT Layered silicate

Résumé

L’électrofilage est actuellement la méthode la plus utilisée pour la production de nanofibres grâce à sa simplicité, sa reproductibilité et la possibilité d’être industrialisée. Grâce à leurs propriétés particulières telles qu’un grand rapport surface-volume, une porosité inter-fibre élevée et une grande capacité d’adsorption, les nanofibres électrofilées sont de bons candidats pour de nombreuses applications telles que la filtration, les masques respiratoires, les matériaux composites, etc. Cependant, certaines applications particulières, telles que les capteurs, les systèmes d'administration contrôlée de médicaments ou les super condensateurs, exigent que les nanofibres doivent présenter des propriétés complémentaires telles que la conductivité électrique, la porosité de surface de nanofibres, l’hydrophobicité, ou d’autres propriétés particulières. Certains nanomatériaux comme les nanotubes de carbone, la silice mésoporeuse ordonnée, les argiles, ont des propriétés particulières comme la conductivité électriques élevée des nanotubes de carbone, la porosité des matériaux de silice mésoporeuse ordonnée ou de l’argile. Ces propriétés des nanomatériaux peuvent être les fonctions complémentaires cherchées. Dans notre étude, des non-tissés composés de nanofibres de polyacrylonitrile chargées par nanotubes de carbone à multi-parois (MWNT), de la montmorillonite sodique (MMT-Na) ou de la silice mésoporeuse ordonnée (de type SBA-15), sont produits par électrofilage. Les résultats montrent que l’insertion de MWNT rend le non-tissé conducteur en augmentant la conductivité électrique volumique par six ordres de grandeur (de ~ 2×10-12 à ~ 3×10-6 S/m) avec un très faible seuil de percolation de 0.5 % massique. Lorsque le non-tissé est soumis à une compression, la conductivité électrique volumique augmente en augmentant la pression (jusqu’à ~ 2 kPa). Ces non-tissés conducteurs sont très intéressants pour le développement des capteurs à faible amplitude. Les résultats montrent aussi que l’accessibilité des pores des particules inorganiques (c’est-à-dire, les mésopores de SBA-15 et l’espace interfoliaire de MMT-Na) insérées dans la structure nano fibreuse est encore possible. Il a été trouvé que plus de 50% des mésopores de SBA-15 insérées sont encore accessibles quelles que soit les conditions de l’électrofilage et la fraction massique de SBA-15. En outre, l’insertion de ces particules inorganiques apporte plus de stabilité thermique aux nanofibres composites.

Electrospinning is the most common method for the production of nanofibres due to its simplicity, repeatability, and the ability to be scaled up. Owing to their advanced properties like the high surface-to-volume ratio, high interfibrous porosity, high adsorption capacity, etc. electrospun nanofibers are good candidates for many applications such as filtration, respiratory masks, composite materials and others. However, some specific applications including sensors, controlled drug delivery systems, supercapacitors, etc. still require complimentary functions that do not exist in pristine nanofibers in their basic structure like the electrical conductivity, surface porosity of the nanofibers, hydrophobicity, and others.Nanomaterials like carbon nanotubes, ordered mesoporous silica, layered silicate, etc. are characterized by particular properties like the high electrical conductivity of carbon nanotubes, the porosity of ordered mesoporous silica or layered silicate. These particular properties of nanomaterials can fulfill of the targeted functions.In our study, nonwovens made from nanofibers of polyacrylonitrile incorporated with multiwalled carbon nanotubes (MWNT), layered silicate type Na-montmorillonite (Na-MMT) or ordered mesoporous silica type SBA-15 are successfully produced by electrospinning.Results reveal that the incorporation of MWNT altered the electrical state of the nonwoven from insolent to conductor where the volume electrical conductivity increased by six order of magnitude (from ~ 2×10-12 to ~ 3×10-6 S/m) with a very low percolation threshold of about 0.5 wt%. The application of mechanical pressure to the conductive nonwoven causes an increase in the volume electrical conductivity with the increase of the applied pressure (up to ~ 2 kPa). Such conductive nonwoven is very interesting for the development of sensor with low amplitude.Results also show that accessibility of the pores of the inorganic particles (i.e. mesopores of SBA-15 and interlayer space of Na-MMT) incorporated into the nanofibers is still possible. It is found that at least 50% of SBA-15 mesopores are still accessible whatever is the electrospinning conditions and SBA-15 mass fraction. In addition, the incorporation of the studied inorganic particles yields higher thermal stability for the composite nanofibers.