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EnglishRÉSUMÉ
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.
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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.
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5. Conclusion
Le renforcement des élastomères se manifeste à travers un ensemble de comportements mécaniques et rhéologiques singuliers dont les répercussions sont importantes en termes d’application et de performance. Ces propriétés, requises pour une grande variété de produits à base d’élastomères modernes, dépendent d’un grand nombre de paramètres physico-chimiques et structuraux à plusieurs échelles. Les recherches menées depuis plus de soixante ans ont permis d’améliorer les connaissances sur une grande majorité de relations entre les mécanismes à l’échelle microscopique et les propriétés macroscopiques des élastomères chargés. Les différences entre les noirs de carbone et les silices en termes d’effet de renforcement ont pu ainsi être reliées à la physico-chimie de leur surface mais aussi à leur structure. La meilleure compréhension des effets Payne et Mullins a permis d’améliorer leur contrôle. La modification des interactions entre l’élastomère et la charge suscite toujours beaucoup d’intérêt pour les industriels et de nouvelles stratégies de couplage polymère/charge sont en développement. Cependant, il reste encore des zones d’ombre du point de vue de la compréhension des mécanismes et l’utilisation d’outils de simulation numérique doit permettre de soutenir les approches expérimentales et lever certains verrous théoriques.
Par conséquent, la prochaine étape en cours est la comparaison détaillée entre l'expérience et la simulation. De nombreuses avancées ont été faites au cours des dernières années dans la modélisation et la simulation de nanocomposites polymères. Les efforts se sont concentrés principalement sur la clarification des interactions, de la dynamique locale (diffusion) et de la structure des polymères nanocomposites. Pour aller plus loin, il serait nécessaire de comprendre l'organisation spatiale des composants de polymères chargés sous écoulement. Quoi qu’il en soit, il faudra que ces approches numériques soient couplées au développement de lois de comportement pertinentes pour espérer fournir des outils de prédictions quantitatifs dans le développement de nouveaux matériaux innovants.
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BIBLIOGRAPHIE
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Silices amorphes synthétiques
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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...
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