Modification de kaolinites submicroniques en vue de leur incorporation dans des matrices polymères

Surface modification of ultra fine kaolinites and their incorporation in polymer matrices

• Auteur / Autrice : Marcos Batistella
• Direction : José-Marie Lopez-Cuesta, Carlos Petter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/07/2013
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre des Matériaux de Grande Diffusion (Alès)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Robin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : José-Marie Lopez-Cuesta, Carlos Petter, Jean-Jacques Robin, Mustapha Kaci, Michel Ferriol, François Ganachaud, Anne-Sophie Caro, Belkacem Otazaghine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mustapha Kaci, Michel Ferriol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais de comportement au feu

Silice

Composites thermoplastiques

Papier -- Industrie et commerce

Verre -- Industrie et commerce

Ciment -- Industrie et commerce

Composites

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Propriétés mécaniques

Kaolin

Kaolinite

Mots clés libres

Kaolin

Proprietes mécaniques

Propriétés au feu

Kaolin

Mecanical Proprietes

Fire behavior

Résumé

La kaolinite est une des matières les plus utilisées depuis la plus haute antiquité. En effet, du fait de leurs propriétés, les argiles sont utilisées comme charges dans beaucoup d'applications industrielles notamment dans le domaine de la papeterie, de la céramique, de l'industrie cimentaire, dans le verre etc. Leur utilisation est liée à leurs bonnes propriétés optiques, minéralogiques et chimiques. L'ajout de kaolinites submicroniques pose cependant de multiples difficultés liées en particulier à leur incompatibilité avec la plupart des polymères et à la difficulté de les exfolier. Dans ce contexte, il est proposé, dans ce travail, une nouvelle voie de valorisation de la kaolinite à la fois comme charge renforçante et/ou compatibilisante et comme retardateur de flamme dans des matrices thermoplastiques.La surface de la kaolinite est tout d'abord traitée avec différents agents de type silane. Ces charges traitées ont été incorporées (entre 4 et 12% en volume dans le polypropylène et le polyamide et jusqu'à 35 % en volume dans le EVA) ce qui a permis à la fois de modifier les propriétés élastiques, les contraintes seuil ainsi que les performances au choc par rapport aux matrices contenant les charges non traitées et d'établir un lien entre ces différentes performances et la dispersion de la charge (estimée par analyse d'images).Due à l'hétérogénéité de la surface de la kaolinite, une nouvelle méthode pour modifier sa surface est proposée. Cette méthode est basée sur la modification sélective des alumines de surface avec des acides phosphoniques. Les silices de surface étant libres pour réagir avec un autre agent de modification, soit un silane porteur d'une fonction époxy, soit une amine. Il a été mis en évidence, dans un mélange PP/PA, que la kaolinite modifiée avec l'acide phosphonique à une tendance à se placer à l'interface des polymères et pourrait alors jouer un rôle de comptabilisation.Finalement, des études sur le comportement au feu des différentes formulations ont permis de montrer que la kaolinite a un grand potentiel en tant que retardateur de flamme. La réduction du pic de débit calorifique (pHRR) semble être en lien étroit avec le comportement rhéologique des polymères chargés et donc très sensible au traitement de surface.

Kaolinite is one of the most used mineral fillers since ancient times. Indeed, because of their properties, this clay is used as filler in many industrial applications, particularly in the industry of paper, cement, ceramics, glass etc... This use is related to their good optical, mineralogical and chemical properties. However the addition of kaolinite in polymer matrices leads to some difficulties especially related to their incompatibility with most polymers. In this context, this work proposes a new path of development of kaolinite as functional filler for the mechanical reinforcement and/or compatibilization of thermoplastic matrices, as well as a flame retardant.The surface of kaolinite was first modified with different silane agents. These fillers were then incorpored between 4 and 12% by volume in polypropylene and polyamide and 35% by volume in EVA copolymer. The surface treatment of kaolinite allowed the modification of the elastic and impact performances of composites compared to untreated fillers. These changes were related to the filler dispersion in the polymer matrix (dispersion was estimated by image analysis). Due to the surface heterogeneity of kaolinite (silica and alumina faces), a new method for a regiolelective surface modification was developed. This method was based on a first step of selective modification of the alumina faces with a product bearing a phosphonic acid group. In a second step, the silica facesare treated with a silane compound. It has been highlighted in a PP/PA blend that the regioselective surface modified kaolinite tend to be placed at the interface between the two polymer matrices.Finally, the study of the fire behavior of different formulations showed a great potential as flame retardant for kaolinite. Reduction of peak heat release rate (pHRR) values seems to be closely related to the rheological behavior of filled polymers and therefore very sensitive to surface treatment.