PERFORMANCE DU NANOCOMPOSITE 

PERFORMANCE DU NANOCOMPOSITE 

Nano composites

Les nano composites plastiques (NCP) sont composés d’une matrice polymère contenant des particules nanométriques jouant le rôle de renfort. Ceux-ci doivent posséder au moins une de  leur dimension étant comprise entre 1 et 100 nm (Azizi Samir, Alloin et Dufresne, 2005). Ce type de matériau fût fabriqué pour la première fois dans les années 70. Par l’ajout de particules nommées noir de carbone ayant un diamètre de l’ordre de 70 nm au caoutchouc, les fabricants de pneus ont obtenu de meilleures propriétés.
Le monde dans lequel nous vivons comporte plusieurs éléments contenant des matériaux ayant des dimensions nanométriques. L’exemple le plus marquant est notre corps humain. En effet, la composition des os s’inscrit dans les nano composites. La figure qui suit représente les différentes couches composant les parties osseuses du corps humain (Bathias et Wolff,2005).Avec la venue des microscopes électronique à balayage (MEB), il fut possible d’observer dans le cas présent la composition des fibres de collagène contenues dans la partie externe de l’os. Elle se compose principalement de fibrilles de collagène ayant un diamètre de 1,23 nm. La matrice dans ce cas est composée de nano cristaux de phosphate de calcium carbonaté.
Cette structure interne permet aux os d’atteindre des performances impressionnantes. Dans le cas de l’os fémoral présenté ci-haut, son module de Young vaut 16 GPa alors que sa contrainte à la rupture est de 190 MPa. Pendant plusieurs années, des tentatives de production de nanomatériaux ont été effectuées.
Grâce à des investissements importants en recherche sur les nano composites, différentes méthodes de productions ont été développées. Le but de cette recherche bibliographique est d’analyser la production des NPC, le survol des méthodes de production des nano renforts sera réalisé dans les prochaines pages.

Nano composite argile/polymère

Pour produire des nano composites thermoplastiques/argile, Fornes résume les principales méthodes préconisées afin d‘y arriver : la polymérisation in situ, l’émulsion, le sol-gel ainsi que le mélange à l’état fondu. Toutes ces techniques permettent l’obtention de feuillets d’argile exfoliés ou intercalés dans la matrice. Le système le plus préconisé ces derniers temps est celui du mélange à l’état fondu puisqu’il ne fait appel à aucun solvant ni aucun autre produit extrêmement nocif pour l’environnement. deux mécanismes sont nécessaires afin de produire un nano composite avec renfort en feuillet à l’aide du mélange à l’état fondu. Passé la température de fusion, le polymère devient visqueux et en fonction des paramètres qui seront présentés plus bas, les mécanismes de délamination permettront de séparer les plaquettes d’argile en plus ou moins gros amas de plaquettes créant ainsi les nanostructures tant recherchées.

Nano argile

L’argile la plus étudiée dans l’industrie de la recherche est la Montmorillonite (MMT). La totalité des études présentes dans cette revue de littérature utilisent ce type de silicate. De par sa structure et sa composition chimique, il est celui ayant le plus de pouvoir renforçant.
Faisant partie de la famille des smectites, ce silicate d’aluminium est composé d’une couche octaédrique d’oxyde d’aluminium inséré entre deux couches tétraédriques de silice (SiO2).
Sa structure réticulaire 2 :1 permet au réseau d’être extensible par l’absorption d’eau entre ses cristaux et permet un grand nombre d’échanges de cations, atomes +, avec le milieu qui l’entoure (Uddin, 2008)

Microscopie électronique

L’utilisation d’un microscope électronique à balayage (MEB) offre une résolution permettant d’observer des particules de l’ordre de quelques nanomètres. Dans le cas présent, les pièces en thermoplastique devront être couvertes par un mélange d’or et de platine afin de permettre aux électrons d’être conduits. Préalablement, Stoeffler, Lafleur et Denault proposent d’attaquer la surface avec une solution de 0.7% de permanganate de potassium et mélanger avec un d’acide ortho phosphorique et sulfurique en concentration 2 :1. Cette attaque permettra de mieux visualiser les nano cristaux de silice. En effectuant l’analyse de la surface de rupture sous azote liquide, il sera possible de déceler les défauts, l’homogénéité du nano composite, la présence d’agrégats ainsi qu’une possible orientation des nano cristaux d’argile. L’inconvénient de l’utilisation de la microscopie électronique provient du fait qu’une infime partie de l’échantillon peut être observée. Il est donc impossible d’obtenir une vue d’ensemble du nano composite (Azizi Samir, Alloin et Dufresne, 2005; VERMOGEN, 2006). Cependant, des logiciels de reconnaissance d’imagerie peuvent être utilisés afin de quantifier les concentrations présentes, mais le plus important, d’évaluer le rapport de forme des structures lamellaires des plaquettes d’argile.

Polymérisation

Le domaine des polymères est encore aujourd’hui un champ de l’ingénierie où les experts en la matière se font rares. En grande majorité, les références présentées dans cette étude ne présente pas les phénomènes intrinsèques aux matières thermoplastiques qui dictent leurs propriétés mécaniques. En effet, la cristallisation semble être mise de côté alors qu’elle devrait susciter un intérêt particulier.
Afin de faire l’analogie avec les métaux, les thermoplastiques cristallins et semi-cristallins, ont eux aussi une texture cristalline. Il ne s’agit pas de véritables cristaux, mais plutôt de cristallites. Lorsque le thermoplastique en question refroidit, des nucléus (équivalent du germe) se forment et agissent à titre de site de formation pour la croissance des dits cristallites. Dans les polymères semi-cristallins, une structure hybride se forme. Constituées de liaisons covalentes entre les chaînes macromoléculaires, les zones cristallines sont de type empilé à la manière d’une lasagne. Cette structure très stable possède des propriétés mécaniques élevées alors que les zones dites amorphes possèdent des chaînes distribuées aléatoirement dans l’espace. La structure de type sphérulite formé par ces cristallites est présentée à la figure suivante. Elle s’apparente aux nano composites puisqu’elle possède un rapport de longueur pouvant atteindre 1000 (Vermogen et al., 2008).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Mise en situation
1.2 Nano composites
1.2.1 Nano composite argile/polymère
1.3 Nano argile
1.4 Attributs
1.5 Caractérisation
1.5.1 Théorie
1.5.2 Fabrication et Caractérisation
1.6 Fabrication
1.6.1 Extrudeuse
1.7 Analyse de la dispersion
1.7.1 Diffraction des rayons X
1.7.2 Microscopie électronique
1.7.3 Micro dureté
1.8 Polymérisation
1.9 Détermination des propriétés
1.9.1 Résultats comparatifs
1.10 Autres propriétés
1.11 CONCLUSION
CHAPITRE 2 MÉTHODE EXPÉRIMENTALE 
2.1 Constituants
2.2 Mis en forme
2.2.1 Étapes préparatoires
2.2.2 Mélange dynamique par Extrusion
2.2.3 Mise en forme
2.3 Caractérisation
2.3.1 Mécanique
2.3.2 Diffraction des Rayons X
CHAPITRE 3 PERFORMANCE DU NANOCOMPOSITE 
3.1 Influence des paramètres de fabrication sur les propriétés mécaniques
3.1.1 Influence des paramètres de mélange
3.1.1.1 Influence du débit d’entrée
3.1.1.2 Vitesse de rotation de l’extrudeur
3.1.1.3 Influence du nombre de passes de mélange
3.1.1.4 Influence de la température du mélange à l’état fondu
3.2 Influence de la composition sur les propriétés mécaniques
3.2.1 Influence de l’ajout d’un agent compatibilisant
3.2.2 Influence de la concentration d’argile
3.3 Autres paramètres pouvant agir sur les propriétés mécaniques
3.3.1 Influence de la masse molaire
3.3.2 Influence des paramètres de mise en forme
3.4 Analyse par diffraction des rayons X
3.4.1 Sommaire de l’analyse nano structurale par XRD
CHAPITRE 4 DISCUSSION
4.1 Efficacité de la méthode
4.1.1 DRX
4.1.2 Reproductivité
4.1.3 Échantillons normalisés
4.2 Problèmes rencontrés
4.2.1 Méthodologie
4.2.2 Fabrication
4.2.3 XRD
4.2.4 Imagerie
ANNEXE I PROPRIÉTÉS MÉCAIQUES SELON ASTM D-638 

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