Mechanisms of dispersion for nanoscale and concentrated suspensions of silica in an elastomer : impact of the strategy of mixing on the efficiency and the kinetics of dispersion
Mécanismes de dispersion de suspensions concentrées de silices nanométriques dans un élastomère : impact de la stratégie de mélange sur l'efficacité et la cinétique de dispersion
Résumé
Filler dispersion in an elastomeric matrix, states and mechanisms of dispersion had to be investigated throughout the mixing process. This work focuses on a multidisciplinary approach to understand how microscopic phenomena, like rubber-filler interaction or filler dispersions, affect macroscopic properties such as rheological behavior. The incorporation of silica is realized in an internal mixer under temperature control. Finally, silica is dispersed at the nanoscale (10-100 nm). Afterwards, nanocomposites are characterized using complementary techniques in order to discuss quantitatively the nature of rubber-filler and filler-filler interactions and their effect on rheological properties. Thus, the global evolution of dispersion during the mixing is understood through these various tests. Different mechanisms in the dispersion have been observed. First, intense particle size reduction occurs at the earliest mixing times. Then, the aggregate size does not change while the amount of physically bound rubber at the surface of aggregate increases and levels off. For some silica, a second dispersion stage has been observed after the diffusion of the elastomer to the core of the aggregates. Rheology has showed to be a very sensitive tool to characterize the evolution of the dispersion in the system. Particularly, the complex shear modulus exhibits a significant plateau (Ge), at low frequency, which is very sensitive to the dispersion state and the nature of the interaction between the fillers. There is a striking correlation between the value of plateau Ge and the bound rubber content. Finally, a dispersion scenario has been established and fundamental interaction parameters have been identified
L’objectif de ce travail est une approche pluridisciplinaire dans le but de comprendre l’impact des phénomènes microscopiques, l’interaction charge-matrice avec ou sans agent de couplage et la dispersion des charges sur les propriétés macroscopiques. La caractérisation de l’impact de la stratégie de mélange avec ou sans un agent de couplage, la cinétique, l’état final et les différents scénarii de dispersion possibles sont ainsi étudiés. L’incorporation de microperles de silice dans une matrice SBR est réalisée dans un mélangeur interne. Finalement, la silice est dispersée à l’échelle nanométrique (10-100 nm). Les nanocomposites obtenus sont alors caractérisés par des techniques complémentaires (spectroscopie mécanique, MET, mesure du taux d’élastomère lié à la charge) dans le but de caractériser quantitativement les interactions charge-matrice et charge-charge. L’outil rhéologique est un outil très sensible pour caractériser l’évolution de la dispersion de charges dans une matrice élastomère. En particulier, le module de conservation G’ montre un plateau significatif pour les faibles fréquences de déformation. Ce plateau est très sensible à l’état de dispersion ainsi qu’à la nature des interactions entre les charges. En couplant les mesures rhéologiques, l'analyse d'image faite sur des photos MET et la mesure du taux d’élastomère lié, il est possible d’établir un scénario de dispersion de la silice dans l'élastomère en fonction des conditions de mélange et de mettre en évidence les paramètres élémentaires de la dispersion impliqués. En complément, la modélisation de certains modules montre toute sa pertinence dans la caractérisation de la rupture des agglomérats ou de l’évolution des interactions charge-charge au cours du mélangeage. Enfin, la dimension fractale des réseaux de charges obtenus est déterminée à partir de nos descripteurs de la dispersion
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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