Élaboration et caractérisation d’une matrice polypropylène chimiquement modifiée et chargée GNP/graphène fonctionnalisés

Elaboration and characterization of a chemically modified polypropylene matrix re-inforced with functionalized GNP / graphene

• Auteur / Autrice : Adrien Letoffé
• Direction : Isabelle Royaud, Marc Ponçot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 09/07/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Bourson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Royaud, Marc Ponçot, Edith Peuvrel-Disdier, Daniel F. Schmidt, Anne-Sophie Caro, Jean-Luc Six, Anatoli Serghei
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Edith Peuvrel-Disdier, Daniel F. Schmidt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères réticulés

Gaz liquéfiés

Graphène

Graphite

Matériaux hybrides

Extrusion réactive

Mots clés libres

Polypropylène réticulé

Extrusion réactive

Nanocomposite

Graphite/graphène

Plasma en phase liquide

Crosslinked polypropylene

Reactive extrusion

Nanocomposite

Graphite/graphene

Plasma fonctionalization

Résumé

Au cours de la dernière décennie, la prise de conscience écologique a impacté les domaines de la recherche. Pour diminuer la production de gaz à effet de serre de nombreux changements sont à apporter aux modes de consommations. Dans le domaine des transports, plusieurs pistes de recherche sont possibles comme l’allégement des structures. L’une des pistes pour permettre cet allégement est l’élaboration de nouveaux matériaux composites métal/polymère. Le polymère de ce composite doit présenter une bonne adhésion aux surfaces métalliques, de bonnes propriétés mécaniques, et de conductivité thermoélectrique. L’objectif de ce travail de thèse est l’élaboration d’une telle matrice par l’emploi de procédé facilement transposable à l’échelle industrielle. Afin d’assurer l’adhésion aux surfaces métalliques, la matrice sélectionnée est le polypropylène greffé anhydride maléique. Cette matrice grâce à ses greffons MAH présente des propriétés chimiques intéressantes au détriment de ses propriétés mécaniques. Pour contourner ce problème, une méthode de réticulation du PP-g-MAH par polyéther amine a été développée. Plusieurs configurations de réticulation ont été réalisées par extrusion réactive. L’évolution de la réticulation suivant le type d’élaboration et son impact sur les matrices ont été déterminés. Le principal changement est le passage d’un comportement mécanique fragile à ductile. Ce changement a été analysé de manière post mortem et in situ à un essai de traction uniaxial, ce qui a permis de mettre en évidence l’impact de la réticulation sur les micro-mécanismes de déformation des matrices. Les propriétés de conductivité thermoélectrique souhaitées sont assurée l’ajout d’une nano-charge de graphite lors de l’extrusion. Afin d’améliorer la dispersion du carbone et d’assurer une percolation mécanique et électrique à faible concentration, une nouvelle méthode d’exfoliation/fonctionnalisation du graphite par décharges plasma a été mise au point. Cette méthode de fonctionnalisation a permis la diminution de l’épaisseur des nanocharges ainsi que l’oxydation de leurs surfaces sans impliquer la création de défaut de structure. Deux gammes de nanocomposites ont été réalisées à l’aide de la nanocharge initiale et traitée. Bien que de hautes teneurs en carbone aient pu être atteintes, il n’a pas été possible d’atteindre la percolation électrique. Malgré cela, une meilleure dispersion de la charge traitée a été observée.

In the last decade, the environmental awareness of the need to reduce human impact on the environment affects the research sector. Reducing the fuel consumption and the human gas emissions became a priority, the humanity needs to switch to more eco-efficient patterns of consumption. In the transport field, numerous new lines of research are possible, like lighter structure. Composite materials, like multi-layered steel/polymer, appeared to be the perfect candidates to reach that objective. The polymer part of such material needs to present good shock absorption and thermo-electrical properties, and good compatibility with a metallic surface. The objective of this thesis is the elaboration and characterization of a polymer material with such properties that can be produced at industrial scale. To obtain good compatibility with the metal surfaces, the isotactic polypropylene-grafted-Maleic anhydride was selected as the initial material. This matrix presents good chemical property, its major drawback is its brittleness. A crosslinking reaction based on the reaction between MAH and amine groups was used to modify the mechanical properties of the matrix. The PP-g-MAH were crosslinked by twin-screw reactive extrusion with different configurations. The reaction affects the microstructure and the mechanical behavior of the materials, with a switch from brittle to ductile. The switch is explained by the variation of micro-mechanism of deformation implied by the crosslinked network. The solution used to modify the thermo-electrical properties of the material is the dispersion of different carbon nano-fillers such as graphite. To raise the dispersion quality of the fillers, and the compatibility between the carbon filler and the polymer matrix, a new method of functionalization of the graphite, by plasma discharge was developed. This new method implied a diminution of the filler thickness and an oxidation of the graphene surface, without any significative degradation of the fillers quality. Two types of nanocomposites were produced, one with an unmodified graphite filler and another one with a graphite modified by plasma treatment. Even with high filler concentration no electrical percolation was obtained, a high fillers exfoliation process need to be obtained. The functionalization of the graphite implied a carbon dispersion improvement, thus a better compatibility between the filler and the matrix.