Laboratoire Léon Brillouin

UMR12 CEA-CNRS

Bât. 563 CEA Saclay

91191 Gif sur Yvette Cedex

France

llb-sec@cea.fr

21 avril 2011
Nanocomposites renforcés : des systèmes modèles pour décrire le comportement mécanique des pneumatiques
Jacques Jestin, Nicolas Jouault, Chloé Chevigny, François Boué, Laboratoire Léon Brillouin, CEA Saclay logo_tutelle logo_tutelle 

Un moyen d'améliorer les propriétés mécaniques des matériaux plastiques est de les renforcer par des nanoparticules, en formant ainsi un matériau composite. Une étude structurale détaillée par diffusion de neutrons, couplée à des essais mécaniques, d'échantillons de polystyrène renforcés par des grains de silice a été réalisée au Laboratoire Léon Brillouin (LLB) au CEA Saclay. Cette étude montre toute l'importance de savoir maîtriser la distribution des particules entrant dans la composition du matériau. Une solution originale au problème par le greffage de petites chaînes de polymère à la surface des particules est aussi étudiée. Cette étude modèle trouve de nombreuses applications, en particulier dans le domaine du pneumatique.

 

 

Spectromètre de Diffusion de Neutrons au Petits Angles DNPA (PAX) permettant la détermination de l’organisation des particules et de la conformation des chaînes de polymère dans le nanocomposite, initialement au repos et sous déformation.

 

Les matériaux plastiques sont faits de molécules enchevêtrées ou polymères qui, selon les cas, peuvent être mous/visqueux, durs/cassants ou déformables (élastomères, caoutchouc…). Ces matériaux présentent une large gamme de  propriétés mécaniques (renforcement, adhésion, résistance à la rupture), thermiques (isolant), électriques (conductivité), optiques (couleur), permettant des applications dans divers secteurs industriels tels que les pneumatiques, les peintures, le pétrole ou les emballages alimentaires…

Ces propriétés remarquables peuvent être améliorées par inclusion au sein du matériau de particules formant ainsi des nanocomposites. Les particules doivent être les plus petites possibles (nanoparticules ~1 nanomètre = 10-9 mètre) : à cette échelle, les interactions spécifiques particules-particules et particules-polymère vont en effet permettre la mise en place d’organisations nouvelles des charges (dispersion individuelle, amas (agrégats), réseau connecté) et une plus grande affinité entre le polymère et les particules qui vont conduire à de nouvelles propriétés macroscopiques des matériaux. Les modèles mécaniques classiques, qui n’incluent pas ces contributions spécifiques, peinent actuellement à décrire correctement le comportement mécanique des nanocomposites. Il faut donc, via des systèmes modèles, pouvoir dissocier la contribution de chacun des composants (particules et chaînes de polymère) sur la réponse mécanique du matériau.

Les systèmes modèles sont constitués de nanoparticules de silice dispersées dans une matrice de polystyrène. En fonction de la concentration, les particules peuvent former des petits amas non connectés entre eux ou à plus haute concentration un réseau de charge continu.

 

Courbes de contrainte-déformation (à droite) en fonction de la concentration en particules illustrant le renforcement du matériau avec l'accroissement de la charge (de 0 à 15%) en nanoparticules de silice.

 

Les échantillons ont été étudiés par diffraction de neutrons au laboratoire Léon Brillouin afin de déterminer leur structure moléculaire. En observant la diffusion aux petits angles, on observe l'organisation de la matière sur de plus grandes distances ce qui donne accès à la distribution des nanoparticules. Technique spécifique aux études par diffusion de neutrons, l'étude d'un mélange de chaînes hydrogénées et deutérées, permet de déterminer où sont les chaînes et la forme elles adoptent.

Dans le cas des applications pneumatiques, le matériau composite utilisé est soumis à de très fortes contraintes mécaniques. Ainsi, en parallèle aux études structurales par diffusion de neutrons, les propriétés mécaniques  du matériau modèle ont été étudiées. On observe en particulier au seuil de connectivité des charges une divergence du facteur de renforcement mécanique (rapport des modules élastiques avec et sans charge de silice) du matériau, ce qui montre la corrélation directe entre la structure à l’échelle nanométrique et la réponse macroscopique du matériau. En parallèle, on détermine par diffusion des neutrons la conformation moyenne des chaînes de polymère. On montre que cette conformation n’est pas affectée par la présence des particules et qu'en conséquence la déformation des chaînes ne contribue pas au renforcement du matériau.

 

Spectre de diffusion de neutrons (DNPA) donnant la conformation des chaînes au sein du composite : quelque soit le taux de particules et de déformation et la masse des chaînes, celles-ci se déforment de la même manière, avec ou sans charge.

 

Le greffage de petites chaînes de polymère à la surface des particules, offre un moyen supplémentaire de contrôle de la dispersion des particules dans la matrice. En fonction de l’organisation des particules (agrégées ou dispersées), les chaînes greffées (observées par diffusion de neutrons) sont plus ou moins comprimées. Le renforcement mécanique est réduit dans ce cas,  à cause de la déformation des chaînes aux interfaces avec les particules.

En conclusion, cette étude montre la corrélation entre la distribution d'une charge de nanoparticules et le renforcement mécanique d'un matériau plastique. Pour un meilleur renforcement, les nanoparticules doivent être dispersées et en densité suffisante pour être connectées. Le meilleur contrôle de la dispersion de la charge par le greffage de polymères sur les grains de silice réduit cependant le renforcement mécanique.

 

 


Références :

 

Direct small-angle-neutron-scattering observation of stretched chain conformation in nanocomposites: More insight on polymer contributions in mechanical reinforcement,
N. Jouault, F. Dalmas, S. Said, E. Di Cola, R. Schweins, J. Jestin, F. Boué,
Physical Review E, 82 (3), 031801, 2010.

Direct Measurement of Polymer Chain Conformation in Well-Controlled Model Nanocomposites by Combining SANS and SAXS,
N. Jouault, F. Dalmas, S. Said, E. Di-Cola, R. Schweins, J. Jestin, F. Boué,
Macromolecules, 43(23) (2010) 9881.


Controlled grafting of polystyrene on silica nanoparticles using NMP: a new route without free initiator to tune the grafted chain length,
C. Chevigny, D. Gigmes, D. Bertin, R. Schweins, J. Jestin, F. Boué,
Polymer Chemistry, 2 (2011) 567.  

Polymer-grafted-nanoparticles nanocomposites: dispersion, grafted chain conformation, and rheological behavior,
C. Chevigny, F. Dalmas, E. Di Cola, D. Gigmes, D. Bertin, F. Boué, J. Jestin,
Macromolecules, 44(1) (2011)  122.

Tuning the mechanical properties in model nanocomposites: Influence of the polymer-filler interfacial interactions,
C. Chevigny, N. Jouault, F. Dalmas, F. Boué, J. Jestin,
Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics (2011).

Contact: Jacques Jestin.

 

Maj : 28/02/2012 (1792)

 

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