Etude des relations structure–propriétés rhéologiques et mécaniques de nanocomposites polyamide12/argile organophile : Effet de la fraction volumique et des conditions de mélangeage

Study of Relationships Structure-Rheological and Mechanical Properties of Polyamide-12/Organophilic Clay Nanocomposites : Effect of Volume Fraction and Mixing Conditions

• Auteur / Autrice : Tolotrahasina Ida Razafinimaro
• Direction : Thierry Aubry, Pascal Médéric
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Brest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polyamides

Thermoplastiques

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Composites

Résumé

Ce travail a pour objectif l’étude des relations structure - propriétés rhéologiques et mécaniques de nanocomposites polyamide12/argile organophile. L’effet du taux de charges et des conditions de mélangeage sur les propriétés rhéologiques à l’état fondu et sur les propriétés mécaniques à l’état solide a été étudié en utilisant de nombreuses techniques d’investigation expérimentale. La rhéométrie en viscoélasticité linéaire et non-linéaire a permis de caractériser le comportement en fondu de ces matériaux nanostructurés ; la diffraction des rayons X aux grands angles et la microscopie électronique en transmission ont été utilisées pour la caractérisation de l’état structural ; des essais de tractions ont été menés pour caractériser le comportement mécanique à l’état solide jusqu’à la rupture. Les résultats ont clairement montré que les propriétés mécaniques des nanocomposites, qu’il s’agisse de propriétés à l’état fondu ou à l’état solide, sont très dépendantes, non seulement du taux de charge, mais aussi des paramètres de mise en forme. Nous avons clairement montré l’existence d’une fraction volumique critique, de l’ordre de 1%, délimitant deux régimes de taux de charge bien distincts : - un régime dilué, où ce sont les entités argileuses isolées qui gouvernent la réponse mécanique des nanocomposites. La modulation des propriétés rhéologiques et mécaniques peut alors être obtenue en jouant non seulement sur le nombre, mais aussi sur la nature, la taille et la forme de ces entités primaires, conditionnées par les paramètres d’élaboration : vitesse et/ou temps de mélangeage. - un régime concentré, où la réponse mécanique des nanocomposites est gouvernée par une structure composée de « domaines ». La modulation des propriétés rhéologiques et mécaniques peut être obtenue en jouant sur la taille de ces domaines, conditionnées par les paramètres d’élaboration : vitesse et/ou temps de mélangeage. Toutefois, les propriétés mécaniques à la rupture s’avèrent décevantes, probablement en raison de la présence d’agrégats qui sont autant de lieux de concentration de contraintes.

This work aims at studying the relationships structure – rheological and mechanical properties of polyamide12/organically modified clay nanocomposites. The effect of solid content and mixing conditions on melt state rheological and solid state mechanical properties was studied using numerous experimental investigation techniques. Linear and non-linear viscoelasticity allowed to characterize the melt state behavior of the nanostructured materials, wide angle X ray diffraction coupled with transmission electronic microscopy were used to characterize the structure; tensile tests were performed to characterize the mechanical behavior up to the total break. The results have clearly shown that both melt and solid state mechanical properties of nanocomposites depend strongly on the solid content and on the processing parameters. We have clearly shown the existence of a threshold solid volume fraction, at about 1%, separating two clay concentration regimes : - a dilute regime, where isolated clay entities govern the mechanical response of the nanocomposites. The rheological and mechanical properties depend on the nature, the number and the shape of these primary entities, which can be tuned by the processing parameters : mixing time and speed. - a concentrated regime, where the mechanical response is governed by a structure composed of “domains”. The rheological and mechanical properties depend on the size of these domains, which can be tuned by the processing parameters : mixing time and speed. However, the mechanical properties at break are disappointing, probably due to the presence of aggregates which induce stress concentration effects.