Polypropylene based nanocomposites reinforced with lamellar clay - Study of the structure-process relationship
Nanocomposites à matrice polypropylène renforcée par argile lamellaire - Etude de la relation procédé-structure
Résumé
This PhD focuses on the relationship between the preparation process and the structure of polypropylene/clay nanocomposites. First, the samples were prepared via an internal mixer. Scanning electron microscopy observations, completed by X-ray diffraction analysis and rheology measurements enabled us to characterize the clay dispersion state in the nanocomposite at different scales. Three organoclays were compared. It was shown that the chemical compatibility between the clay and the matrix was essential to ensure a good dispersion: Cloisite 20 and Dellite 67G showed good dispersion states at all scales, whereas Cloisite 30B did not. The influence of rotor speed and mixing time on the clay dispersion state was shown. The percolation threshold of the clay was determined. The link between dispersion state and crystallinity was also studied.The samples were then prepared via a twin-screw extruder. The influence of screw speed on the clay dispersion state was demonstrated, as well as the matrix degradation at high screw speed. The evolution of the dispersion state along the screw profile showed that intercalation was reached early in the screw profile, whereas exfoliation evolved linearly until the last mixing elements. A lower barrel temperature, as well as a more viscous matrix did not improve the clay dispersion state, and did not prevent the matrix degradation. Finally, the Ludovic© software allowed us to apprehend the thermomechanical phenomena involved during extrusion, but also to optimize the process.
Cette thèse porte sur la relation entre le procédé de préparation et la structure des nanocomposites polypropylène/argile. Les échantillons ont été préparés au mélangeur interne dans un premier temps. Des observations au microscope électronique à balayage, complétées par des analyses en diffraction des rayons X ainsi que des mesures rhéologiques ont permis de caractériser l’état de dispersion de l’argile à différentes échelles au sein du matériau. Nous avons comparé trois argiles organophiles et montré que la compatibilité chimique entre l’argile et la matrice est un facteur primordial afin d’obtenir une bonne dispersion : la Cloisite 20 et la Dellite 67G montrent de bons états de dispersion à toutes les échelles au contraire de la Cloisite 30B. Nous avons ensuite mis en évidence l’influence de la vitesse de rotation ainsi que du temps de mélange sur l’état de dispersion de l’argile. Le seuil de percolation de l’argile dans le polypropylène a été déterminé. Le lien entre état de dispersion et cristallinité du polypropylène a également été étudié.Les échantillons ont ensuite été préparés par extrusion bivis. L’influence de la vitesse de rotation sur l’état de dispersion de l’argile a été mise en évidence, tout autant que la dégradation de la matrice aux plus fortes vitesses. L’évolution de l’état de dispersion le long de la vis a montré que si l’intercalation était rapidement atteinte sur la vis, l’exfoliation progressait linéairement avant de saturer sur les dernières zones. L’utilisation d’une température de régulation plus faible ou d’une matrice plus visqueuse n’ont pas permis d’améliorer l’état de dispersion de l’argile ni d’éviter la dégradation de la matrice. Enfin, l’utilisation du logiciel Ludovic© a permis de mieux appréhender les phénomènes thermomécaniques mis en jeu lors de l’extrusion, mais également d’optimiser le procédé.
Origine : Version validée par le jury (STAR)