Caractérisation morphologique et homogénéisation élastique et visco-élastique de polymères renforcés de nano-plaquettes d'argile

Morphological characterization and homogenization in elasticity and visco-elasticity of nano-clay reinforced polymers

• Auteur / Autrice : Pierre Gelineau
• Direction : Ludovic Cauvin, Fahmi Bedoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique Avancée
• Date : Soutenance le 16/04/2015
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais dynamiques

Tomographie par émission

Nanotechnologie

Microstructure (physique)

Propriétés mécaniques

Polymères

Argile

Élasticité

Viscoélasticité

Méthodes d'homogénéisation numérique

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Nano-composites

Caractérisation mécanique

Caractérisation morphologique

TEM

Elasticity

Viscoelasticity

Clay

Polymers

Dynamic testing

Nanotechnology

Emission tomography

Résumé

L'objectif de ce travail est de comprendre l'influence de nano-plaquettes d'argile sur le comportement mécanique de polymères nano-renforcés. Cette compréhension nécessite une caractérisation fine de la micro-structure mais aussi l'étude du comportement mécanique de ces matériaux (en élasticité et en visco-élasticité). A l’échelle microscopique, la taille des agrégats de plaquettes d'argile et la distribution spatiale de ces agrégats ont été observées au TEM. A l’échelle nanoscopique, le d-spacing entre plaquettes d'un agrégat a été mesuré en utilisant la XRD. Ces techniques expérimentales ont permis de mettre en évidence une micro-structure intercalée. A l’échelle macroscopique, des essais de traction monotones ainsi que des essais dynamiques (DMA) ont été réalisé afin d'étudier le comportement mécanique des matériaux. Pour prédire les propriétés élastiques macroscopiques, la combinaison de deux approches a été envisagée; modèles hybrides et modèles matrice-inclusion. Cet outil permet d'anticiper les propriétés de ces matériaux sans avoir à les fabriquer ainsi que de tester simplement l'influence de la micro-structure sur le comportement macroscopique. Le schéma d'homogénéisation mis en place permet de prendre en compte la micro-structure intercalée d'une matrice polymère renforcée par des empilements de sandwiches bi-couches (plaquettes d'argile et polymère). On observe, en élasticité, un bon encadrement des données expérimentales. Une extension de cette approche en visco-élasticité a été développée. Les prédictions en visco-élasticité comparées aux données expérimentales ont fourni une bonne estimation du module complexe et des modules de conservation et de perte.

This work aims to understand the influence of nano-clay platelets on the mechanical behavior of nano–reinforced polymers. This understanding requires a good description of the micro-structure and a characterization of the mechanical behavior of these materials (elastic and visco-elastic). At the micro-scale, the size of the aggregates of nano-platelets and their spatial distribution were observed using TEM. At the nano-scale, the d-spacing between platelets within an aggregate was measured using XRD. These experimental techniques highlighted intercalated micro-structures. At the macroscale, monotonic tensile tests and Dynamic Mechanical Analysis (DMA) have been performed to study the mechanical behavior of the materials. To predict the macroscopic elastic behavior, the combination of two approaches has been considered; hybrid and matrix-inclusion models. This needed tool allows to anticipate the behavior of these materials without process them. By the consideration of the morphology into the modeling scheme, the influence of the micro-structure on the macroscopic behavior can be studied. The considered multiscale approach is able to estimate the macroscopic behavior of an intercalated nano-composite, in which a polymeric matrix is reinforced by stacks of bi-layers sandwiches (nano-clay platelets and polymer). It was observed from their comparison that the modeling predictions well bounded the experimental data in elasticity. This multi-scale approach was extended in the context of viscoelasticity and the predictions in this context were in good agreement with the experimental data for the complex modulus and for the storage and loss moduli.