Morphologie et propriétés électrophysiques de nanocomposites à base de polymères thermoplastiques et de nanotubes de carbone

Structure and electrophysical properties of nanocomposites based on thermoplastic polymers and carbon nanotubes

• Auteur / Autrice : Volodymyr Levchenko
• Direction : Gisèle Boiteux, Yevgen Mamunya
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux polymères et composites
• Date : Soutenance le 28/09/2011
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Institut de la Chimie Macromoléculaire de Kiev (Ukraine)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Matériaux Polymères (Auvergne Rhône-Alpes ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Beyou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eugene Lebedev, Vadim Shumskiy, Gérard Seytre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Colette Lacabanne, Ludmila Matzui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Percolation (physique statistique)

Alliages de polymères

Nanotubes

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Nanocomposites

Propriétés électriques

Propriétés thermomécaniques

Charges organique-inorganiques

Nanotube de carbone

Mélange de polymères

Système polymères ségrégés

Percolation

Nanocomposites

Electrical properties

Thermomecanical properties

Organic-inorganic fillers

Carbon nanotube

Polymer blend

Segregated polymer system

Percolation

Résumé

La thèse détermine les principaux paramètres de la formation des structures de la phase conductrice de nanocomposites polymères chargés avec des nanotubes de carbone (NTC) ou des nanocharges combinées, pour étudier l'influence de la morphologie de la structure hétérogène du composite et l'interaction des nanocharges sur les propriétés électriques, thermophysiques et mécaniques des composites. Les trois types de systèmes polymères ont été étudiés, à savoir: 1) les systèmes ségrégés avec distribution ordonnée de nanocharges, 2) les mélanges polymère conducteur; 3) les composites avec des charges binaires où les nanotubes de carbone ont été combinés avec des composés organo-argileux modifiés (MOC) dans un cas et des nanoparticules métalliques d’autre part. Les résultats sur les composites polymères ségrégés chargés avec des NTC ont montré que dans de tels systèmes, la charge conductrice crée un réseau continu conducteur au sein de la matrice polymère. Cela conduit à un seuil de percolation ultra faible avec la valeur de φc~0,045vol.%. Il a été démontré que les systèmes conducteurs à base de mélanges de polymères ont un seuil de percolation inférieur en raison d'effet de double percolation. Il a été constaté que l'introduction simultanée de composés MOC et de NTC dans la matrice thermoplastique permet une meilleure répartition des nanotubes de carbone, ce qui empêche leur agrégation. Il en résulte une diminution du seuil de percolation des composites. Il a été démontré que la formation de la phase conductrice est plus efficace avec des charges mixtes CNT/nanométal en comparaison avec les charges individuelles

The thesis research field determines the main parameters, of the conductive phase structure formation in polymer nanocomposites filled with conductive fillers such as carbon nanotubes (CNTs) or combined nanofillers. The influence of the morphology of the heterogeneous structure of the composite and interaction of nanofillers on the electrical, thermophysical and mechanical properties of the composites was studied. The three types of polymer systems filled with carbon nanotubes have been investigated, namely: 1) segregated systems with ordered distribution of the nanofiller; 2) conductive polymer blends; 3) composites with binary fillers in which carbon nanotubes have been combined with organo-modified clay (OMC) in one case and with metal nanoparticles in another case. The investigation of the segregated polymer composites filled with CNTs has shown that the conducting filler creates continuous conductive framework inside the polymer matrix. This provides the presence of ultralow percolation threshold with the value of φc~0.045vol.%. Conductive polymer blends have demonstrated a lower percolation threshold in comparison with individually filled polymers due to a double percolation effect. It has been found that the simultaneous introduction of OMC and CNTs into thermoplastic matrix provides a better distribution of carbon nanotubes, preventing their aggregation and decreasing the percolation threshold. It has been shown that the formation of the conducting phase is more effective in the polymeric matrix with combined nanofillers CNT/nanometal in comparison with individual fillers and the higher conductivity of such conductive system is due to metallic filler content