Caractérisation de l’état de dispersion des nanocomposites

Généralités sur les matériaux composites

D’après la définition de Larousse, un composite est « un matériau composé de matières de nature et de composition différentes et possédant, de ce fait, des caractéristiques spéciales ». Généralement, un matériau composite est constitué d’une ou plusieurs phases discontinues (renfort) dispersées dans une phase continue (matrice). Le renfort est habituellement plus dur et représente des propriétés mécaniques importante par rapport à la matrice d’où le nom d’un matériau renforçant. Les nanocomposites sont une nouvelle classe de composites, qui sont des matériaux qui possèdent au moins une dimension à l’échelle nanométrique. On distingue trois types ; Lorsque les trois dimensions sont de l’ordre de nanomètre, on parle de nanocomposites isodimensionnels. Lorsque deux dimensions sont à l’échelle nanométrique, formants une structure allongée, nous parlons de nanotubes. Le troisième type des nanocomposites sont caractérisés par une seule dimension dans la gamme nanométrique.

Dans ce cas, la charge est présente sous forme de feuilles (par exemple l’argile) d’un à quelques nanomètres avec des centaines à des milliers nanomètres de longueur (Alexandre & Dubois, 2000). En se basant sur la forme des constituants, les composites sont classés en : matériaux composites à particules (le renfort se trouve sous forme de particules) et les matériaux composites à fibres (le renfort se trouve sous forme de fibres). Les particules sont utilisées pour améliorer les propriétés de la matrice tels que la rigidité, la tenue à la température, la diminution du retrait, la résistance à l’abrasion… et parfois comme charges pour la réduction des couts des matériaux, sans modification de ses propriétés (Berthelot, s.d.). Selon la nature de la matrice, nous pouvons classifier les composites en trois classes : composites à matrice organique, métallique ou à matrice minérale. Les matériaux composites à matrice organique sont sensibles à la température et ils ne peuvent être utilisés que dans le domaine des températures ne dépassant pas 200 à 300 °C (Berthelot, s.d.).

Constituants d’un matériau composite

Les matrices utilisées dans les matériaux composites ont pour rôle de transférer les sollicitations mécaniques aux renforts et de protéger la surface des matériaux. Ces matrices doivent donc être assez déformables et présenter une bonne compatibilité avec les renforts. En outre, elles doivent avoir une masse volumique faible ce qui permet aux composites de conserver des caractéristiques mécaniques élevées (Berthelot, s.d.). Deux grandes familles de polymère existent : les polymères thermoplastiques et les polymères thermodurcissables. Ces deux familles ont la capacité d’être moulés ou mis en forme, afin de donner soit un produit fini, soit un produit semi-fini dont la modification de la forme est possible. Les polymères thermoplastiques présentent un faible cout, avec la propriété de pouvoir être mises en forme plusieurs fois par chauffage et refroidissement successifs. Par contre, les polymères thermodurcissables ne peuvent être mises en forme qu’une seule fois, avec des propriétés thermomécaniques plus élevées.

La matrice organique d’un matériau composite peut appartenir à différents types de polymères, selon l’utilisation (figure 2). Il existe d’autres classes des polymères, à savoir les polymères thermostables et les élastomères ; les polymères thermostables sont les polymères qui gardent ses caractéristiques à des températures élevées. Selon Chrétien (Chrétien, 1986), un polymère est stable thermiquement lorsque ses caractéristiques physiques ne sont pas modifiées : à 250 °C sur de longues périodes (1000 heures), à 500 °C sur de courtes périodes (1 heure), Ou à 1000 °C pendant quelques secondes. Les élastomères sont des polymères obtenus après réticulation et qui présentent des propriétés élastiques. C’est le cas du caoutchouc. Du fait de ces caractéristiques, les polymères thermodurcissables sont les plus employées actuellement dans la mise en oeuvre des matériaux composites.

Polypropylène

Le polypropylène représente 21% des matières plastiques (Techniques de l’ingénieur, s.d.), et l’un des quatre grands thermoplastiques (Polyéthylène, polystyrène et polychlorure de vinyle) les plus utilisés dans plusieurs domaines industriels : automobile, électrique, pièces électroniques, emballage, fournitures, matériaux de construction… (Risite, 2015). Il existe deux types, homopolymères qui est plus rigide et copolymère qui présente une résistance au choc. Le PP se caractérise par une faible densité, une stabilité thermique, une bonne résistance aux solvants, de bonnes propriétés mécaniques, la facilité de transformation, la possibilité de recyclage… Mais en comparaison avec les polymères techniques, il présente des limitations pratiques au niveau des propriétés mécaniques et de rigidité (Risite, 2015). Pour remédier à ce problème, le recourt à ajouter des nanocharges dans la matrice organique et l’une donc des solutions. La taille nanométrique de l’argile, notamment la surface spécifique, le facteur de forme et la rigidité, rend possible ce renforcement dans des conditions où les feuillets sont bien dispersés et distribués dans la matrice PP (Risite, 2015).

Argiles

Les argiles peuvent être obtenu selon trois processus ; Le premier est la décomposition de la roche sédimentaire en substances par érosion causé par des phénomènes naturelles (pluie, vent, vagues…). Ces substances sont transportées par l’eau du sol, et s’arrangent entre eux pour former une structure minérale, c’est la néoformation. Le troisième processus est la transformation des minéraux en roches argileuses par dégradation, ou par aggradation d’ions argileux (accumulation des sédiments dans un cours d’eau). Les argiles sont présentes presque partout à la surface terrestre, mais leurs propriétés et leurs compositions différentes selon les conditions de formation : type de la roche d’origine, le climat, la topographie du sol…. Un climat froid implique une altération faible de la roche, et donc, la composition serra similaire à celle des minéraux provenant de la roche d’origine. C’est le cas des illites et des chlorites. Un climat à la fois chaud et humide causera une forte hydrolyse, c’est le cas des kaolinites et des smectites. Une région soumise à un climat tempéré (ni torrides, ni glaciales) résultera la création d’argiles de types illites, chlorites ou encore vermiculites (Hernot, 2016).

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Synthèse bibliographique
I.1. Généralités sur les matériaux composites
I.1.2. Constituants d’un matériau composite
I.1.2.1. Matrices
I.1.2.2. Renforts
I.1.2.3. Charges
I.1.2.4. Additifs
I.1.2.5. Surfactants
I.1.3. Applications
I.2. Argiles et polypropylène
I.2.1. Polypropylène
I.2.2. Argiles
I.3. Nanocomposites Polymère/Argile
I.3.1. Modification de l’argile
I.3.2. Modification du polypropylène
I.3.3. Mise en oeuvre
I.3.4. Morphologie et structure des nanocomposites
I.3.5. Propriétés des nanocomposites PP/Argile
I.3.5.1. Propriétés mécaniques
I.3.5.2. Stabilité thermique
I.3.5.3. Autres propriétés
Chapitre II : Présentation des matériaux et techniques expérimentales
II.1. Présentation des matériaux
II.1.1. Argiles
II.1.1.1. Argile marocaine
II.1.1.2. Montmorillonite Cloisite Na+
II.1.2. Polymère
II.1.3. Agents de couplage
II.1.4. Produits chimiques
II.2. Préparation de l’argile naturelle Marocaine
II.2.1. Concassage, séchage et broyage
II.2.2. Décarbonatation du minerai
II.2.3. Dispersion et sédimentation
II.3. Modification des argiles par APTES
II.4. Modification de PP par l’anhydride maléique
II.5. Mise en oeuvre des nanocomposites PP/argile
II.6. Mise en forme des échantillons d’analyse
II.7. Méthodes de caractérisation et techniques d’analyse
II.7.1. Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier, IR-TF
II.7.2. Diffraction des Rayons X (DRX)
II.7.3. Analyse Thermique Gravimétrique (ATG)
II.7.4. Essais mécaniques
Chapitre III : Nanocomposites polypropylène/argile
III.1. Caractérisation des argiles modifiées
III.1.1. Diffraction des rayons X
III.1.2. Analyse par spectroscopie infrarouge
III.1.3. Analyse thermogravimétrique
III.2. Evaluation du taux de greffage de l’anhydride maléique
III.3. Caractérisation de l’état de dispersion des nanocomposites
III.4. Mécanisme réactionnel de nanocomposites PP/argile
III.5. Comportement mécanique
Conclusion et perspectives
Références bibliographiques