Etude des mécanismes d’exfoliation d’argile montmorillonite de synthèse par des poly(diméthylsiloxanes) PDMS

Study of the delamination mechanisms of a synthethic montmorillonite clay by poly(dimethylsiloxanes) chains, PDMS

• Auteur / Autrice : Cyril Vaulot
• Direction : Alain Vidal, Bassel Haidar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Mulhouse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Argile

Nanotechnologie

Résumé

Confronté à la compréhension des mécanismes de formation de matériaux nanocomposites par intercalation ou exfoliation d’argile dans des matrices polymères, ce travail s’est inscrit dans une approche multidisciplinaire. Pour en contrôler les propriétés, la montmorillonite a été synthétisée selon un procédé hydrothermal et modifiée organiquement par un tensioactif cationique alkylammonium (C18TMABr) pour accroître la distance interfoliaire. L’étude des propriétés physico-chimiques (CGI, extraction) et structurales (SAXS, WAXS, DSC) nous a mené à la différenciation de deux états d'adsorption référencés thermodynamiquement et structuralement et semblable quantitativement, l’un correspondant à l’échange cationique pur, l’autre à la physisorption du tensioactif. Ce dernier s’est révélé propice à un agrandissement plus conséquent de l’espace interfoliaire et à une organisation cristalline des molécules organiques dont la fusion est mise en évidence par DRX et DSC. Les études des comportements dynamiques, mécaniques et thermiques (DMTA, DSC) des mélanges polymère/argile (modifiée ou non) ont montré que l’agrandissement de l’ouverture interfoliaire ne garantit pas l’exfoliation de l’argile. De plus, la diminution de l’énergie de surface de l’argile (SD), mesurée par chromatographie gazeuse inverse suite à sa modification, n’assure pas d’avantage ce processus. Seul des interactions spécifiques fortes, mises en évidence par l’étude d’adsorption en fonction de la masse moléculaire et de la polarité du PDMS (terminaisons triméthylsiloxy et hydroxylées) par microcalorimétrie à écoulement, sont capables de surpasser les forces de cohésion des feuillets et mener à l’exfoliation.

Confronted with the understanding of the formation mechanism of the nanocomposites by the intercalation or the delamination of a clay in a polymer matrix, this study was in line with a multidisciplinary work. In order to control its properties, the montmorillonite was synthesized in the lab by an hydrothermal reaction and then, organically modified by a alkylammonium cationic surfactant (C18TMABr). The study of the physico-chemical (IGC, extraction) and structural (SAXS, WAXS, DSC) properties has led to the differentiation of two thermodynamical and structural reference states with quantitative properties : the first state corresponds to a pure cationic exchange whereas the second corresponds to the physical adsorption of the surfactant. This late shows a very enlarged interlayer space and a crystalline organization of the organic molecules with a melting point which is highlighted by XRD and DSC. The study of dynamical, mechanical and thermal behaviour (DMTA, DSC) of the mixture polymer-pristine or modified clay have demonstrated that an enlarged interlayer distance doesn’t insure the delamination. On the other hand, the decrease of the surface energy of the clay (SD) after modification (proved by inverse gas chromatography) doesn’t seem to be a better insurance of the same reaction. Conversely, the study by flow microcalorimetry of the adsorption of the PDMS chains in function of the molecular weight and the polarity of the terminations (triméthylsiloxy- and silanol-terminated PDMS) have highlighted the requirement of the development of strong specific interactions polymer-filler to surpass the cohesive forces between the layer and lead to the exfoliation.