Présentation
En anglais
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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The term nanocomposite describes a biphasic material whose reinforcing phase presents a nanometric-size dispersion. The matrix can be metallic, ceramic or polymer. Polymer nanocomposites alone are presented in this article. These materials distinguish themselves by their extremely high properties in terms of fire resistance, rigidity and mechanical properties. The complex development strategies often require making the clay organophilic; even in such conditions, the implementation remains delicate for obtaining satisfactory dispersion, the determining condition for the control of the end material usage properties.
Auteur(s)
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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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Propriétés des nanocomposites
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3. Structure des nanocomposites
3.1 Morphologie des nanocomposites
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Suivant la méthode envisagée pour l’élaboration, la nature de l’argile utilisée (organiquement modifiée ou non) ou encore la matrice polymère, il est possible d’obtenir principalement trois types de structures différentes.
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Un premier type correspond à la structure d’un polymère chargé conventionnel (microcomposite), dans lequel l’argile n’est dispersée au mieux que sous forme de particules primaires ou encore d’agglomérats (figure 4a ) et le polymère ne s’intercale pas entre les feuillets d’argile.
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La première structure typique des nanocomposites est la structure dite intercalée (figure 4b ). Dans ce cas, l’argile est dispersée sous forme d’empilements de plaquettes plus ou moins interconnectées appelés tactoïdes. Les chaînes de polymère pénètrent entre les feuillets d’argile provoquant une extension de l’espace interfoliaire, tout en préservant l’empilement régulièrement ordonné de l’argile.
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Enfin, lorsque les feuillets d’argile sont complètement et uniformément dispersés dans la matrice polymère, on parle alors d’une structure exfoliée ou délaminée (figure 4c ). L’empilement régulier disparaît pour donner une structure ne présentant aucun ordre à l’échelle locale. Cette dernière morphologie est la plus intéressante car elle permet d’avoir une interaction maximale entre les feuillets d’argile et la matrice polymère ; la quasi-totalité de la surface d’interfaces est concernée.
Pour visualiser la morphologie des nanocomposites deux outils sont couramment utilisés : la diffraction des rayons X (DRX) et la microscopie électronique en transmission (MET). Ils fournissent des informations complémentaires sur la dispersion des argiles au sein de la matrice polymère.
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La diffraction des rayons X (DRX) est particulièrement adaptée à l’étude des structures intercalées. La position du pic de diffraction du plan basal [001] d’empilement des feuillets donne une évaluation directe de l’espacement entre feuillets d 001. Le gonflement de l’argile...
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