Propriétés des mousses solides et applications

 Propriétés des mousses solides et applications 

Propriétés des mousses solides

Les mousses solides permettent d’étendre de manière considérable la gamme des propriétés disponibles. Elles combinent une matrice polymère remplie de gaz leur procurant une très faible densité. La combinaison des propriétés, dues à la structure mésoscopique de la mousse et à la nature physico-chimique du polymère, leur permet ainsi des fournir des matériaux pour des applications qui ne peuvent être réalisées facilement avec des solides denses.

Les polymères en masse ont des densités très faibles et peuvent accepter des déformations très importantes (0,7 et plus). Les métaux bruts se distinguent par une forte densité, une très bonne conductivité thermique mais une faible capacité de déformation. Les verres et les céramiques présentent une densité et une conductivité thermique intermédiaire entre les polymères et les métaux. Ils ont une très bonne résistance à la chaleur. En revanche ils ont un comportement fragile qui leur offre une très faible résistance aux déformations mécaniques.

Tous ces types de matériaux peuvent aussi être synthétisés sous forme de mousse leur conférant des propriétés adaptées à des applications pour lesquelles des solides denses ne pourraient pas convenir.

Applications des matériaux poreux 

Isolation thermique
La plus large application faisant appel aux mousses polymères et en verre est l’isolation thermique. Il y a plus de mousses utilisées dans le domaine de l’isolation thermique que dans tous les autres domaines. Des matériaux aussi simples que ceux utilisés pour fabriquer certaines tasses à café ou aussi élaborés que les revêtements des propulseurs des fusées reposent sur la faible conductivité des mousses. Les bâtiments récents, les systèmes de transports réfrigérés ou les bateaux de transport de gaz naturels utilisent tous les avantages de la faible conductivité thermique des mousses polymères expansées. Tous ces exemples utilisent des mousses à porosité fermée. Lors d’une mise à température d’un système (aussi bien pour des températures très basses que très hautes), une grande quantité de l’énergie est dépensée pour amener à température le contenant, or pour les matériaux poreux l’énergie est d’autant plus faible que la masse thermique est faible, augmentant ainsi l’efficacité du contenant.

Emballage
Le deuxième domaine d’application utilisant le plus les mousses solides est celui de l’emballage. Un emballage efficace doit absorber l’énergie d’un impact ou d’une force générée par décélération sans transférer au contenu des contraintes pouvant entrainer des dommages. Les mousses sont particulières adaptées pour ce genre de fonction puisqu’elles peuvent accepter de grandes déformations (70% et plus) à contrainte constante, leur permettant ainsi d’absorber une grande quantité d’énergie. Les mousses offrent aussi des avantages : la facilité de moulage permet de bien emballer des objets de formes compliqués pour le protéger et ce à un moindre coût. Les polymères les plus utilisés pour réaliser ces matériaux sont le polystyrène, le polyuréthane et le polyéthylène. Ce sont fréquemment des mousses à porosité fermée comme dans le cas des emballages alimentaires.

Matériaux de structure
Nombre de matériaux naturels de structures sont des solides poreux : le bois, le corail et les os supportent des cycles de chargement sur de très longues périodes. Citons comme autre exemple synthétique les échafaudages servant de support à la reformation d’os suite à une fracture dans le domaine biomédical. Ce sont ici des exemples de matériaux à porosité ouverte.

Flottabilité
Les matériaux poreux sont utilisés dans le domaine maritime. Les plastiques poreux à porosité fermée sont largement utilisés comme support de structures flottantes ou dans la flottaison des bateaux. Les mousses résistent bien mieux aux dégâts que les sacs de flottaison même lorsqu’elles sont très endommagées. De plus elles ne s’oxydent pas et ne rouillent pas dans le temps permettant d’avoir un matériau très stable.

En résumé, les mousses permettent d’élargir la gamme des propriétés physiques, mécaniques et thermiques des matériaux denses. Ainsi il est possible d’obtenir des matériaux poreux adaptés à des applications qui seraient très difficiles à obtenir avec des matériaux denses. Les matériaux poreux sont des matériaux qui sont très utilisés grâce en particulier à leur faible densité. Grâce à leur couplage structure poreuse et nature physico-chimique elles accèdent à des gammes de propriétés physiques leur permettant de répondre à des besoins industriels impossibles à atteindre avec des matériaux denses. D’autre part il est possible de réaliser des mousses avec des métaux, des céramiques ou encore des verres bien qu’ici seules les mousses solides polymères seront étudiées. Les différentes applications font appel à des structures différentes (porosité ouverte ou fermée) qui proviennent des différentes techniques de mise en œuvre.

Voies de synthèse des mousses solides polymères

Il existe de nombreuses voies pour synthétiser des matériaux poreux. Pour les mousses de polymères on dénombre 3 méthodes principales :
♦ L’expansion d’un gaz
♦ Un phénomène de séparation
♦ Une polymérisation via l’utilisation d’un moule (appelé ‘template’ en anglais)
D’autres méthodes de fabrication pour les mousses de type métallique, céramique ou à base de verre existent mais elles ne seront pas développées ici car cela ne fait pas l’objet de ce travail.

Expansion d’un gaz

La méthode dite d’expansion d’un gaz pour les matériaux polymères implique la mise en œuvre d’un porogène gazeux durant l’étape de polymérisation afin de générer de la porosité dans la matrice polymère avant qu’elle ne soit totalement réticulée. Ce dégagement gazeux peut être soit induit par la réaction de polymérisation elle-même soit généré par la décomposition ou la vaporisation d’un additif. La macroporosité peut également être directement générée par l’utilisation de gaz tels que le dioxyde de carbone, l’azote ou l’air dans des polymères fondus.

Cette méthode conduit à des mousses de faible densité possédant des porosités ouvertes (éponges, mousses souples) ou fermées. Le dégagement gazeux n’est pas facilement contrôlable ce qui implique une distribution de taille des pores très large. Les additifs générateurs de mousse peuvent être des agents chimiques ou physiques. Les agents chimiques sont des composés qui produisent un gaz par réaction chimique entre plusieurs composés ou par décomposition thermique. Les agents physiques sont des substances qui peuvent passer d’un état liquide à un état gazeux soit par réduction de la pression, soit par augmentation de température. Cette élévation de température peut être induite par une source extérieure ou par une réaction exothermique.

Séparation de phase 

Le phénomène de séparation de phase implique la génération de deux phases non miscibles, une phase riche en polymère et une phase riche en porogène, à partir d’une seule phase contenant des polymères dissous dans un solvant. Cette séparation peut être induite par des phénomènes physiques comme la température ou par la réaction de réticulation. Au cours de la réaction, des nodules de matière se forment et deviennent de moins en moins solubles dans le solvant. Ces nodules sphériques s’agglomèrent et forment des agglomérats appelés microsphères.

Table des matières

Chapitre 1. Introduction
Chapitre 2. Contexte et état de l’art
I. Matériaux poreux
Définition
Propriétés des mousses solides et applications
a. Propriétés des mousses solides
b. Applications des matériaux poreux
Voies de synthèse des mousses solides polymères
a. Expansion d’un gaz
b. Séparation de phase
c. Utilisation d’un moule
Conclusion
II. Mousses solides élastomères
Mousses polyHIPEs
a. Porosité à plusieurs échelles
b. Les deux types de polyHIPEs
c. Familles de polyHIPEs
Mousses élastomères
a. Polyuréthane
b. Silicone
Conclusion
Chapitre 3. Formulation de mousses élastomères
I. La synthèse de polyHIPEs – Etat de l’art
Les émulsions et les HIPEs
a. Les émulsions : définition
b. Les émulsions hautement concentrées : HIPEs
c. Les mécanismes de déstabilisation des HIPEs et les solutions pour les contrer
Obtention de mousses solides à partir des HIPEs
a. HIPEs : les ingrédients
b. L’émulsification
c. Polymérisation/réticulation de l’émulsion concentrée
d. Obtention de la mousse polyHIPE
Structure des polyHIPEs
a. Les paramètres d’émulsification
b. La phase continue
c. La phase dispersée
Conclusion
II. Synthèse de mousses polyHIPEs élastomères – Résultats
De l’émulsion au monolithe
a. La démarche de synthèse des polyHIPEs
b. Etude de la taille des gouttes
c. Obtention de polyHIPEs élastomères
d. Etude de la taille des pores
Effondrement de mousses élastomères
Conclusion
Chapitre 4. Comportement mécanique de polyHIPEs élastomères
I. Mécanique des mousses – Etat de l’art
Mousses de polyHIPEs
Etudes du comportement des mousses par simulations et modèles
a. Les simulations par éléments finis
b. Modèle de Gibson et Ashby
Conclusion
II. Comportement de polyHIPEs élastomères à base de méthacrylates d’alkyle – Résultats
Présentation des essais mécaniques – choix des conditions expérimentales
a. Module apparent et énergie de dissipation
b. Recouvrance
Etude de la partie élastique de mousses polyHIPEs élastomères
a. Module apparent : effet de la température de transition vitreuse Tg
b. Module apparent : effet de le taux de réticulation
c. Module apparent : effet du diamètre des pores dp
Etude de la dissipation
a. Energie dissipée en fonction de la température de transition vitreuse Tg
b. Energie dissipée en fonction du taux de réticulation
c. Energie dissipée en fonction du diamètre des pores dp
Recouvrance
a. Recouvrance en fonction du temps de maintien
b. Recouvrance en fonction du taux de réticulation
c. Recouvrance en fonction du diamètre des pores dp
Modèles théoriques de recouvrance
a. Modèle de Chasset et Thirion
b. Loi de Chasset et Thirion adapté à notre système
c. Modèle de Zener fractionnaire
d. Comparaison des résultats issus du modèle de Zener fractionnaire à notre système
Conclusion
Chapitre 5. Conclusion

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