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RÉSUMÉ
Le terme de nanocomposite décrit un matériau biphasé dont la phase de renfort présente une dispersion de taille nanométrique. La matrice peut être métallique, céramique ou polymère. Seuls les nanocomposites polymères sont présentés ici. Ces matériaux se distinguent par des niveaux de propriété très élevés en termes de tenue au feu, de rigidité et de propriétés mécaniques. Les stratégies complexes d’élaboration nécessitent souvent de rendre organophile l’argile et, même dans ces conditions, la mise en œuvre reste délicate pour espérer obtenir une dispersion satisfaisante, condition déterminante pour une maîtrise des propriétés d’usage du matériau final.
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Jean-Michel GLOAGUEN : Université de Lille I - Laboratoire de structure et propriétés de l’état solide
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Jean-Marc LEFEBVRE : Université de Lille I - Laboratoire de structure et propriétés de l’état solide
INTRODUCTION
L’idée d’améliorer les propriétés des matériaux en combinant deux phases aux propriétés différentes n’est pas nouvelle. On retrouve à travers l’histoire des exemples de matériaux que l’on peut considérer comme nanocomposites ; certaines colorations de peintures mayas proviennent d’inclusions de nanoparticules métalliques et d’oxyde dans un substrat de silicate amorphe. Plus récemment, en 1917, le noir de carbone a été introduit dans la composition des pneumatiques, ce qui a eu pour conséquence de multiplier par cinq leur durée de vie. Ce renfort est constitué de particules de 10 à 400 nm pour un diamètre moyen d’agrégats de 100 à 800 nm.
Par contraste avec les microcomposites conventionnels à matrice polymère, où les dimensions ou diamètres typiques des charges (particules, fibres) sont de l’ordre de plusieurs micromètres, la révolution du passage aux échelles de tailles nanométriques résulte principalement de deux paramètres : l’accroissement considérable de la surface d’interfaces et la réduction, à fraction volumique de renfort identique, des distances entre particules jusqu’à atteindre l’échelle des dimensions moléculaires caractéristiques de la matrice.
Le facteur déclenchant de l’effort de recherche dans ce domaine a été la publication en 1992 de résultats obtenus par Toyota Research sur la dispersion à l’échelle nanoscopique de silicates en feuillets (principalement argile montmorillonite) dans le polyamide 6 par polymérisation in situ. L’effort considérable de recherche observé depuis cette date au niveau mondial, dans le domaine des matériaux nanocomposites à matrice thermoplastique et renforts de plaquettes d’argile, est bien traduit par le nombre de publications et de brevets en croissance exponentielle, mais avec seulement une contribution de l’ordre de 15 % au niveau européen.
Dans ces systèmes organiques-inorganiques, la dispersion ultrafine et les interactions locales entre matrice et phase de renfort aboutissent à des niveaux de propriétés supérieures à ceux de leurs équivalents micro ou macrocomposites, et ce dès les faibles fractions d’éléments renforçants. Ces avantages se manifestent aussi bien dans la tenue au feu ou les propriétés barrière que dans la rigidité ou les propriétés mécaniques ultimes.
Les stratégies complexes d’élaboration nécessitent, dans la plupart des cas, de rendre organophile l’argile et, même dans ces conditions, la mise en œuvre reste délicate pour espérer obtenir une dispersion satisfaisante, condition déterminante pour une maîtrise des propriétés d’usage du matériau final.
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4. Propriétés des nanocomposites
4.1 Propriétés thermiques et propriétés barrière
L’amélioration de la stabilité thermique de nanocomposites à matrice polymère a été mise en évidence par les premiers travaux de Blumstein en 1965 dans le cas d’un système PMMA/montmorillonite intercalée (10 % en masse). Cette étude montre que le PMMA intercalé entre les feuillets d’argile (élaboration par polymérisation in situ) résiste à une dégradation thermique dans des conditions où la matrice PMMA seule est complètement dégradée. Par analyse thermogravimétrique (figure 15), les différents nanocomposites présentent une température de décomposition thermique 40 à 50 oC supérieure à celle de la matrice PMMA non chargée (mesure à 50 % de perte de masse). Le PMMA extrait du nanocomposite possède une meilleure stabilité thermique que celle du PMMA préparé en solution. Une explication possible est que la quantité de macromolécules se terminant par une double liaison pour le PMMA préparé par polymérisation in situ est plus faible que celle obtenue lors de la préparation en solution. Or le PMMA extrait n’est pas aussi stable que le PMMA nanocomposite ; le confinement du polymère présent dans les feuillets d’argile semble donc jouer un rôle prépondérant. Au cours de ces dernières années, des analyses thermogravimétriques sur une large gamme de systèmes nanocomposites à faible taux de charge ont confirmé ces observations ...
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