Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L'incorporation de charges nanométriques dans une matrice élastomère permet d'améliorer ses propriétés mécaniques finales. Ce renforcement dépend d’un grand nombre de paramètres liés à la charge, sa nature, son état de dispersion et sa distribution spatiale dans le mélange. Cet article se propose de traiter le sujet du renforcement des élastomères en faisant le lien entre son origine microscopique et ses manifestations macroscopiques.
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleABSTRACT
Adding nanometric fillers to an elastomeric matrix improves its final mechanical properties. This enhancement depends on a large number of parameters related to the filler, its nature, its dispersion state and its spatial distribution in the mixture. This article addresses rubber reinforcement from its microscopic level to its macroscopic manifestations
Auteur(s)
-
Jean-Charles MAJESTÉ : Professeur - Laboratoire Ingénierie des Matériaux Polymères, Saint Etienne, France
INTRODUCTION
L'incorporation de charges nanométriques dans une matrice élastomère permet une forte amélioration des propriétés finales comme la rigidité, le module, l’énergie de rupture, la résistance à la déchirure et à la fissuration et la résistance à la fatigue et à l'abrasion. Ce renforcement mécanique présente un intérêt commercial notamment dans le domaine du pneumatique avec l'amélioration de l'usure de la bande de roulement, la résistance des flancs…
Une autre conséquence de l'incorporation de charges dans un élastomère est la modification significative des propriétés dynamiques du caoutchouc connu sous le nom d’effet « Payne ». Ce phénomène, d'une grande importance dans l'industrie du caoutchouc, a suscité beaucoup d'intérêt. Le réseau de charges formé, via des interactions directes charge/charge ou via un modèle de couches d’élastomère immobilisé sur la surface des charges, semble être la principale origine des mécanismes qui régissent la réponse dynamique.
Par ailleurs, soumis à de grandes déformations ou de fortes contraintes, les élastomères chargés (et vulcanisés) montrent une hystérèse atypique connue sous le nom d’effet « Mullins ». Ce comportement n’est pas encore complètement compris mais un consensus existe sur les mécanismes d’endommagement microscopiques à l’origine de l’effet : extensibilité limitée des chaînes soumises à l'amplification des contraintes, rupture ou au glissement…
Ces propriétés ou comportements singuliers dépendent d’un grand nombre de paramètres tels que la fraction volumique de charge, leur forme et leur taille mais aussi des interactions entre les charges et/ou celles entre les charges et la matrice qui conduisent à l’adsorption d’élastomère à la surface des charges dont le rôle primordial dans le mécanisme de renforcement est démontré. Par ailleurs, la qualité de l’état de dispersion et de distribution des charges est très importante. Généralement, plus la dispersion et la répartition des charges dans la matrice sont bonnes, plus les propriétés le sont aussi. Par exemple, dans l'industrie des pneus, de manière générale, une bonne dispersion des charges diminue les pertes d'énergie viscoélastiques et par conséquent la résistance au roulement.
Une grande variété de charges est utilisée dans les caoutchoucs mais ce sont essentiellement les noirs de carbone et les silices que l’on retrouve dans la majorité des formulations industrielles. Mais, il faut mentionner qu’il existe d’autres types de charges (renforçantes ou faiblement renforçantes) qui n’influent pas ou peu sur les propriétés mécaniques des mélanges. Leur utilisation est basée sur une motivation économique (Kaolin, talcs, carbonates de calcium…). Les silices sont généralement recherchées pour leur forte réduction de la résistance au roulement et donc de la consommation de carburant. Leur application s’est généralisée dans les formulations des bandes de roulement des pneus pour véhicules de tourisme. Les noirs de carbones quant à eux sont très largement utilisés pour des applications poids lourds (ou même dans les pneus tourisme en plus de la silice) en raison de leur apport en termes d’usure et de durabilité des pneus.
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
silica | carbon black | nanométric fillers | Payne effect | Mullins effect
DOI (Digital Object Identifier)
Cet article fait partie de l’offre
Plastiques et composites
(397 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Présentation
Différents mécanismes de renforcement
En anglais
1. Caractéristiques des charges usuelles
D'une manière générale, les trois principales caractéristiques des charges qui influencent le renforcement des élastomères sont :
-
la taille de particule primaire ou la surface spécifique qui détermine le contact effectif entre la charge et la matrice polymère ;
La notion de particule primaire se réfère à l’objet considéré qui interagit avec ses semblables ou la matrice polymérique via sa surface. La taille de cette particule dépend de l’état de dispersion du mélange. Pour un système bien dispersé, cette particule est l’agrégat ;
-
la structure ou le degré d'irrégularité de la charge élémentaire, qui joue un rôle essentiel dans la restriction du mouvement des chaînes élastomères sous contrainte ;
-
l'activité de surface, qui est le facteur prédominant en ce qui concerne l'interaction charge-charge et charge-élastomère.
1.1 Surface spécifique
La surface spécifique Asp d’une charge (renforçante ou non) est la surface développée de la charge par unité de masse. Une analyse rapide montre que cette surface spécifique est inversement proportionnelle à la taille caractéristique R de la charge dispersée pour des objets non fractals.
Elle est le plus souvent caractérisée à l'aide de techniques d’adsorption en phase gazeuse (BET, absorption de diazote N2) ou en phase liquide (CTAB, absorption de bromure de céthyltrimethylamonium, indice d’iode, chromatographie inverse).
Parmi toutes les caractéristiques des charges, c’est la surface spécifique et donc la taille des charges dispersées qui reste le paramètre d’influence le plus important sur le renforcement des élastomères. La figure 1 propose une classification des charges selon leur taille moyenne et leur impact sur les propriétés du mélange dans un élastomère. Concrètement, les effets fortement renforçants ne sont généralement observés que pour des tailles inférieures à la centaine de nanomètres. Néanmoins, même si ces effets suivent une évolution qui est fonction de la taille, un noir de carbone N700 (taille comprise entre 61 et 100 nm) reste semi-renforçant.
L'expertise technique et scientifique de référence
Cet article fait partie de l’offre
Plastiques et composites
(397 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Caractéristiques des charges usuelles
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LEBLANC (J.) - * - . – Prog. Polym. Sci. 27 627-687 (2002).
-
(2) - EINSTEIN (A.) - * - . – Ann Phys 17 549-60 (1905).
-
(3) - MAJESTÉ (J.C.) - * - . – dans « Rheology and Processing of Polymer Nanocomposites », Chapitre 3 : Theory, Practice, and New Challenges, Wiley (2016).
-
(4) - SONG (Y.), ZHENG (Q.) - * - . – Prog. Mat. Sci, 84 1-58 (2016).
-
(5) - KOHLS (D.J.), BEAUCAGE (G.) - Current Opinion in Solid State and Materials Science. - 6 183-194 (2002).
-
(6) - BERRIOT (J.), LEQUEUX (F.), MONNERIE (L.), MONTES (H.), LONG (D.), SOTTA (P.) - Journal of Non-Crystalline Solids. - 307-310 719-724 (2002).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Silices amorphes synthétiques
-
Silices amorphes synthétiques
ANNEXES
Pour les silices
SOLVAY (Belgique)
EVONIK (Allemagne)
HUBER (USA).
Pour les noirs de carbones
CABOT (USA)
ORION (Allemagne)
BIRLA (Inde).
HAUT DE PAGE
ASTM D 1765-96 - Standard Classification System for Carbon Blacks Used in Rubber Products.
NF T45-114 - Ingrédients de mélange du caoutchouc – Noir de carbone – Détermination du caoutchouc lié au noir de carbone.
ISO 4652 :2012 - Ingrédients de mélange du caoutchouc. Noir de carbone. Détermination de la surface spécifique par méthodes par adsorption d'azote. Modes opératoires à un pont de mesure.
HAUT DE PAGE3.1 Organismes – Fédérations – Associations – Laboratoires (liste non exhaustive)
Syndicat national des caoutchoucs et des polymères SNCP
Élastopôle, pôle de compétitivité...
L'expertise technique et scientifique de référence
Cet article fait partie de l’offre
Plastiques et composites
(397 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
