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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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6. Glossaire
BET ; BET
La méthode BET permet d’expliquer l’adsorption physique des molécules de gaz sur une surface solide et de mesurer la surface spécifique. Elle est basée sur la théorie Brunauer, Emmet et Teller.
Cluster d’agrégats ; aggregate cluster
Un cluster est un amas d’agrégats déformable et pouvant être rompu sous contrainte. Sa taille est variable selon la dimension fractale du réseau de charges.
CTAB ; CTAB
La surface CTAB est la surface spécifique déterminée selon la norme ASTM D 3765 en pratiquant l'adsorption de bromure d'hexadécyltriméthyl ammonium (CTAB) à pH = 9 et en prenant comme aire projetée de la molécule de CTAB la valeur 35 Å2.
Dimension fractale ; fractal dimension
La fractalité d’un objet réel est définie par la relation en loi de puissance entre le volume occupé d’une partie de l’objet et la longueur caractéristique de cette partie. L’exposant df dans cette relation est la dimension fractale géométrique [AF4500].
Effet Mullins ; Mullins effect
Sous sollicitation cyclique, après la première extension, il est observé une perte de rigidité pour les extensions suivantes appelée effet Mullins.
Effet Payne ; Payne effect
Sous de faibles amplitudes de contrainte ou déformation, l’effet Payne se manifeste comme une dépendance du module de cisaillement complexe (module de conservation et de perte) avec l’amplitude de la sollicitation.
Élastomère lié ; bound rubber
Dans un mélange élastomère chargé, le bound rubber est la quantité d’élastomère lié physiquement ou chimiquement aux charges et que l’on ne peut pas enlever en utilisant un bon solvant de l’élastomère.
Partie pour cent d’élastomère pce ; part per hundred rubber phr
phr est l’abréviation anglaise (part per hundred rubber) pce ou (partie pour cent d'élastomère) est une unité de mesure utilisée dans l’industrie du caoutchouc pour définir la proportion des...
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LEBLANC (J.) - * - . – Prog. Polym. Sci. 27 627-687 (2002).
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(2) - EINSTEIN (A.) - * - . – Ann Phys 17 549-60 (1905).
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(3) - MAJESTÉ (J.C.) - * - . – dans « Rheology and Processing of Polymer Nanocomposites », Chapitre 3 : Theory, Practice, and New Challenges, Wiley (2016).
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(4) - SONG (Y.), ZHENG (Q.) - * - . – Prog. Mat. Sci, 84 1-58 (2016).
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(5) - KOHLS (D.J.), BEAUCAGE (G.) - Current Opinion in Solid State and Materials Science. - 6 183-194 (2002).
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(6) - BERRIOT (J.), LEQUEUX (F.), MONNERIE (L.), MONTES (H.), LONG (D.), SOTTA (P.) - Journal of Non-Crystalline Solids. - 307-310 719-724 (2002).
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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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