Elaboration et caractérisation de composites polymères conducteurs

Elaboration and caracterization of conducting polymer composites

• Auteur / Autrice : Christele Vanga Bouanga
• Direction : Mohamed Tabellout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Le Mans
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'état condensé (Le Mans)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie à force atomique

Conduction électrique

Percolation (physique statistique)

Spectroscopie

Polyamides

Polyuréthanes

Conducteurs organiques

Composites

Mots clés libres

Polyaniline

Résumé

Ce travail concerne l'élaboration et la caractérisation de matériaux composites conducteurs à base de polyaniline (PANI). Deux types de composites conducteurs ont été élaborés : les films composites conducteurs en surface et les composites conducteurs en volume sous forme de poudres. Ces composites sont obtenus par polymérisation in-situ d'aniline en présence de la matrice polymère. Les composites conducteurs en volume ont été préparés à base de poudre de polyamides (PA-11. PA-12) avec différents types d'acides à des pourcentages d'aniline allant de 0. 1% à 8%. Il a été montré que la conduclivité électrique croît avec l'augmentation du pourcentage de PANI. La méthode d'élaboration a permis d'obtenir un seuil de percolation particulièrement bas (0. 4%). Les composites conducteurs en surface ont été obtenus à partir des films de polyuréthane (PU) et de polyamide-6 (PA-6). L'étude de la cinétique de gonflement des films de PU et PA-6 dans l'aniline a montré que le degré maximum de gonflement pour ces films est de 25% et 16% d'aniline, respectivement. Afin d'étudier l'influence de la teneur de PANI sur les propriétés diélectriques et électriques, les films composites ont été préparés avec différents pourcentages d'aniline (0. 5 à 22%). Les mesures diélectriques effectuées en fonction de la température et de la fréquence ont montré que les propriétés des films composites sont proches de celles de la matrice polymère pure pour les faibles pourcentages de PANI (jusqu'à 1. 5% d'aniline). Au delà d'une teneur en aniline de 1. 5%, le dopage des films composites entraîne l'apparition de processus de relaxation de polarisation d'interface attribué à la structure double couche, mise en évidence par spectrométrie Raman, dont l'une contient des amas conducteurs de PANI. Les spectres diélectriques obtenus sont bien décrits par un modèle basé sur la théorie des milieux effectifs de Maxwell-Wagner-Hanai prenant en compte la structure double couche des films et la distribution de particules core-shell de PANI dans la couche composite. Un bon accord entre les données expérimentales et celles du modèle a été trouvé. Les systèmes composites conducteurs obtenus (composites en surface et en volume) grâce à leur valeur de conductivité (~ 10-3 S/cm) et leur capacité de changement de couleur en fonction de l'étal d'oxydation d'aniline peuvent être utilisés dans différents domaines.

This work concerns the preparation and characterization of conducting composite materials based on polyaniline (PANI). Two types of conducting composite have been developed : the surface conducting composite films and bulk conductiing composites in powder form. The composites were obtained by in-situ polymerization of aniline in polymer matrix preliminarily swelled with monomer (aniline). The volume conducting composites based on PANI and polyamide (PA-11 and PA-12) were prepared with different types of acid and with aniline percentage ranging from 0. 1 wt. % to 8 wt. %. It was shown that the electrical conductivity of composite increases with increasing of the PANI percentage. It was found that such preparation method allowed obtaining the composites with low percolation threshold (0. 4 wt. %). The surface conducting composites were obtained for the polyurethane (PU) films and polyamide-6 (PA-6) films. The study of swelling kinetics of PU and PA-6 in aniline have showed that the maximum swelling degree for these films is 25 wt. % and 16 wt. % of aniline, respectively. In order to study the influence of the PANI content on the electrical and dielectric properties, the composite films were prepared with different percentages of aniline (from 0. 5 to 22 wt,%). The performed dielectric measurements as a function temperature and frequency have shown that the properties of the composite films are close to those of the pure polymer matrix for low percentages of PANI (up to 1,5 wt. %). For the composite films with aniline content higher than 1. 5 wt. % thé doping process leads to the appearance of the interfacial relaxation process assigned to the double layered composite structure. Indeed as it was found by Raman spectrometry the surface composite consists of two layers - one is the pure polymer matrix and the other one is the layer containing clusters of conducting PANI. The obtained dielectric spectra are well described by a model based on effective medium theory of Maxwell-Wagner-Hanai by taking into accout the double-layered structure of films and the distribution of core-shell particles of PANI in the composite layer. A good agreement between experimental data and those of the model was found. The obtained conducting composite Systems (surface and volume composites) due to their conductivity value (~10-3 S/cm) and to their ability to change color depending on the oxidation state of PANI can be used in gas sensors, as anticorrosion materials and anti-static coatings.