Nanocomposites, epoxyde, amine, montmorillonite : rôle des intéractions sur la formation, la morphologie aux différents niveaux d'échelle et les propriétés mécaniques des réseaux

= Epoxy / amine / organoclay nanocomposites : the influence of interactions on network formation, morphology at different scale levels and mechanical properties

• Auteur / Autrice : Loïc Le Pluart
• Direction : Jannick Duchet-Rumeau, Henry Sautereau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMM - Laboratoire des Matériaux Macromoléculaires (Lyon; INSA1962-1998)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Résumé

Ce travail de thèse repose sur la dispersion de montmorillonites modifiées par des ions alkylammonium dans des systèmes réactifs à base de DGEBA et de diamines formant des réseaux élastomère et thermodurcissable. Nous avons mis en place au laboratoire, une méthodologie et des outils permettant de synthétiser en grande quantité des montmorillonites modifiées par des ions alkylammonium de longueur de chaîne variable. La structure des galeries des montmorillonites est contrôlée et répétable. Nous mettons en évidence que l'état de dispersion final de la montmorillonite est dépendant de plusieurs paramètres clés que sont la dimension des galeries des montmorillonites organophiles, la nature des ions alkylammonium au sein de ces galeries, leurs interactions avec les prépolymères et les cinétiques de diffusion et de polymérisation des prépolymères du système réactif. Les suspensions de montmorillonite dans les prépolymères époxyde et amine sont des gels physiques aux faibles déformations et des fluides à viscosité relative élevée aux forts taux de cisaillement. Ces suspensions sont rhéofluidifiantes et thixotropes. Les montmorillonites catalysent la réaction de polymérisation. L'état de la dispersion aux différentes échelles évolue au cours de la polymérisation des réseaux. Enfin, les montmorillonites augmentent de façon importante les propriétés de rigidité et de solidité de l'élastomère et du thermodurcissable pour des fractions volumiques introduites très faibles. La qualité de la dispersion de la montmorillonite à l'échelle nanométrique, caractérisée par diffraction et diffusion des rayons X et par microscopie électronique, n'est pas seule responsable des propriétés rhéologiques et mécaniques observées. L'état de la dispersion à l'échelle microscopique résultant des interactions entre la charge et le système réactif est un facteur prépondérant dans les propriétés finales du nanocomposite.

This study aims at dispersing organically modified montmorillonites in thermoset and elastomeric epoxy networks. We developed in the laboratory tools and methods to synthesize in great quantities cation exchanged montmorillonites with various chain length and tailored surface properties. We put into evidence that the final morphology of nanocomposites is related to the interlayer gallery size of organoclay, the chemical nature of the alkylammonium ions, their interactions with the monomers and the diffusion and polymerization rates of the reactive mixture. Organoclay forms gels in the monomers when no shear is applied and high relative viscosity fluids at high shear rates. These suspensions are thixotropic and shear thinning. Organoclay catalyzes the epoxy/amine polycondensation reaction. The state of dispersion at various scales changes during polymerization. Eventually introducing montmorillonite in epoxy networks leads to strong increases in stiffness and toughness of the polymer for very small amounts introduced. Quality of the dispersion at the nanometer scale characterized by XRD, SAXS and TEM is not the only key parameter toward improved mechanical properties. State of dispersion and aspect ratio of the particles at the micrometer scale resulting from organoclay/reactive mixture interactions is a key parameter in the generated polymer final properties as well.