Matériaux époxy vitrimères basés sur la chimie des échanges de disulfures : étude expérimentale et modélisation de la relaxation de contrainte - application aux composites renforcés par des nano fibrilles de cellulose

Epoxy vitrimer materials based on disulfide exchange chemistry : experimental study and modeling of the stress relaxation - application to composites reinforced by nanofibrillated cellulose

• Auteur / Autrice : Isis Castro Cabrera
• Direction : Pascal Carrière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 13/09/2021
• Etablissement(s) : Toulon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mer et Sciences (Toulon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux Polymères Interfaces Environnement Marin (MAPIEM). EA 4323 (Toulon)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Habas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maurice Brogly, Hugues Brisset, Sophie Berlioz, Armand Fahs
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Edith Peuvrel-Disdier, Renaud Nicolaÿ

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Propriétés physico-chimiques

Dilatométrie

Calorimétrie

Chimie physique et théorique

Nanocellulose

Résines époxydes

Mots clés libres

Époxy-vitrimère

Relaxation de contrainte

Réaction d'échange de liaisons réversibles

Nano cellulose fibrillée

Modification de la surface

Epoxy-vitrimer

Relaxation behavior

Bond exchange reaction

Nano fibrillated cellulose

Suurface modification

Résumé

Les résines époxy thermodurcissables ont attiré l'attention de nombreuses industries en raison de leur polyvalence, des adhésifs aux matériaux composites. Malgré leur versatilité, le recyclage, la durabilité et développement durable de ces thermodurs majoritairement pétrosourcés limitent leur utilisation. Des réseaux adaptables covalents (CAN) comme les vitrimères peuvent offrir une solution pour faire face à ces problèmes. Le système époxy DGEBA‒4-APDS, basé sur la chimie d'échange de disulfures, a montré des propriétés de recyclabilité, mais son comportement vitrimère n'a pas été encore complètement vérifié. Dans le présent travail, toutes les propriétés propres aux vitrimères sont étudiées afin de s’assurer du caractère vitrimère de ce matériau. De façon intéressante, la température d’échange des liaisons réversibles propre aux vitrimères (Tv) est proche de la transition vitreuse du matériau (Tg). Il en découle que sa relaxation, qui s’opère légèrement au-dessus de sa Tg, est influencée à la fois par les réactions d'échange des liaisons réversibles et par la relaxation du polymère en lui-même. De ce fait, il est proposé un modèle adapté de relaxation des contraintes qui prend en compte ces deux phénomènes. Ce modèle rhéologique a permis également d'évaluer la relaxation de cette matrice époxy-vitrimère renforcée par des nanofibrilles de cellulose (NFC). Ce composite vitrimère à base de NFC est un matériau léger durable et présentant des propriétés mécaniques similaires à celles des réseaux covalents non-adaptables. Une étude initiale pour augmenter la durabilité de ce vitrimère époxy a consisté à modifier la surface de la NFC par un agent de couplage glycidoxy silane. Une méthode simple de greffage des NFC est proposée, et la caractérisation du réseau silane entourant les NFC a été réalisée.

Epoxy thermoset resins have drawn the attention of many industries due to their versatility, from adhesives to polymer composites. Yet, the re-processability, sustainability, and durability of resins limit their use. The covalent adaptable networks (CANs) like vitrimers can afford a solution to overcome these issues. The epoxy resin, DGEBA‒4-APDS, based on the disulfide exchange chemistry, has shown re-processability properties, but its vitrimer properties have not been fully verified. In the present work, all the vitrimer properties are reviewed to classify it as a vitrimer material. Interestingly, the vitrimer exchange operating temperature (Tv) is close to its glass transition (Tg). So, its relaxation behavior, slightly above Tg, is influenced by the bond exchange reactions and the segmental relaxations of the network. Thus, an adapted stress relaxation model that considers both relaxation phenomena is proposed. This developed rheological model leads to evaluate the epoxy vitrimer matrix reinforced by nano fibrillated cellulose (NFC). The vitrimer composite made with NFC performs a sustainable lightweight material and exhibits mechanical properties similar to non-covalent adaptable networks. A preliminary study to increase material durability has consisted in the NFC surface modification by glycidoxy silane coupling agent. A simple NFC grafting method is proposed, and the surface characterization of the silane network surrounding the NFC is well-explored.