Mise en oeuvre et proprietes physiques et mecaniques de materiaux nanocomposites a matrice epoxy renforcee par des trichites de cellulose

= Processing, characterization and mechanical properties of new thermoset nanocomposites based on epoxy matrix and cellulose whiskers

• Auteur / Autrice : Mireya Matos-Ruiz
• Direction : Jean-Yves Cavaillé, Jean-François Gérard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA1975-2007) - LMM - Laboratoire des Matériaux Macromoléculaires (Lyon; INSA1962-1998)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composés époxy

Cellulose

Nanocomposites

Résumé

Dans ce travail nous décrivons la mise en œuvre et les propriétés mécaniques des nouveaux matériaux composites à base de : (i) nanofibres (whiskers ou trichites) de cellulose de tunicier et (ii) une matrice thermodurcissable de type époxy. Une voie d'association du système réactif époxy/amine avec les trichites en milieu aqueux est requise par la nécessité d'éviter l'agrégation des whiskers avant dispersion et des problèmes de haute viscosité du mélange réactif. Les microfibrilles de tunicine possèdent un potentiel renforçant important grâce à leur rapport de forme (LID) élevé, voisin de 100 (longueur moyenne de 10 nm, diamètre moyen de 1 f-tm) , une haute cristallinité (95%) et des propriétés mécaniques élevées (module d'Young le long de l'axe principal estimé entre 130 et 150 GPa). L'efficacité des fibres est mise en évidence par l'analyse dynamique mécanique (petites déformations) et par des essais de traction statique (grandes déformations) des films dans le domaine du caoutchouc (T>Tg). Leur haut potentiel de renfort est du : (i) aux fortes interactions entre les fibres de cellulose et le réseau époxy et, (ii) à leur capacité à former un réseau rigide (par création de liaisons hydrogène) percolant, notamment aux températures supérieures à la température de transition vitreuse. La modélisation micromécanique (modèle de Halpin-Kardos et l'approche de percolation) du comportement mécanique des composites à base de différents taux de renfort, permet de mettre en évidence 1' effet percolant de ce réseau de whiskers de cellulose.

In the present study, the processing and the mechanical properties of new nanocomposites prepared from aqueous suspensions of (i) microcrystalline cellulose fillers and (ii) thermoset epoxy are described. The nature of cellulose fibers, which display a large shape factor and the capability to be associated by means of H-bonds implies that the processing method chosen in this study avoids the problem of a high level of viscosity of the epoxy reactive system whiskers mixture. The reinforcing effect of this type of natural fibers in an epoxy matrix is shown from the dynamic mechanical and tensile properties in the rubbery state. This unusual reinforcement is due to (i) the strong interactions existing between the cellulose whiskers and the epoxy network and, (ii) the creation of a percolating network linked by H-bonds between cellulose fibers. The existence of such a percolation effect is evidenced from the analysis of the rubbery shear modulus of nanocomposites based on various volume fractions of whiskers with mechanical modeling such as Halpin-Kardos and percolation approaches.