Natural rubber latex- carbon black/silica coagulation : following the nanostructure evolution from a colloidal suspension to an elastomeric composite

Coagulation d'un latex de caoutchouc naturel - noir de carbone / silice : suivi de l'évolution nanostructurale d'une suspension colloïdale à un composite d'élastomère

• Auteur / Autrice : Gianluca Cattinari
• Direction : Marie-Pierre Fontaine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 25/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Manufacture française des pneumatiques Michelin
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Poumellec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julian Oberdisse, Karim Benzerara, Michel Cloitre, Catherine Gauthier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julian Oberdisse, Karim Benzerara

Mots clés

Mots clés contrôlés

Noir de carbone

Colloïdes

Caoutchouc

Mots clés libres

Caoutchouc naturel

Noir de carbone

Silice

Coagulation

Mélange liquide

Natural rubber

Carbon black

Silica

Coagulation

Liquid phase mixing

Résumé

Le latex de caoutchouc naturel (NR) extrait d'Hevea brasiliensis est connu pour être utilisé pour la préparation d'une variété de matériaux. L'ajout de charges renforçantes est une méthode bien établie pour augmenter les propriétés mécaniques de la matrice polymère et il est nécessaire pour obtenir la résistance requise par la plupart des applications. Plusieurs stratégies ont été proposées pour mélanger le caoutchouc avec des charges. Parmi les différentes méthodes, le procédé de mélange liquide semble intéressant et il est central dans le cadre de technologie d'innovation Michelin. Dans ce procédé, le latex NR est mélangé à une suspension aqueuse de charges (silice / noir de carbone) donnant lieu à un hétéro-coagulum, qui est ensuite soumis à un séchage. Si ce processus se développe rapidement au niveau de l'ingénierie, la connaissance structurelle de l'hétéro-coagulum le long du processus ainsi que les mécanismes de régulation de l'agrégation ne sont encore bien connus. Dans ce but, nous avons utilisé une approche de microscopie multimodale comprenant: la microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM) (avec à la fois l'imagerie électronique à rétrodiffusion et des électron secondaire), la microscopie à super résolution optique (d-STROM) et la microscopie à force atomique couplée à la spectroscopie infrarouge (AFM) -IR) pour étudier la nanostructure de l'hétéro-coagulum et son évolution vers un composite élastomère. Nous pensons que la compréhension micro / nanoscopiques des mécanismes survenant au cours du processus de mélange des liquides pourrait ouvrir de nouvelles voies pour l’amélioration et d'exploitation de cette technologie.

Natural rubber (NR) latex extracted from Hevea brasiliensis is known to be used for the preparation of a variety of materials. Addition of reinforcing fillers is a well-establish method to increase mechanical properties of the polymer matrix and it is necessary to achieve the required strength for most applications. Several strategies have been proposed to mix rubber with fillers. Among the different methods, the liquid mixing process seems interesting and it is central for Michelin innovation technology. In this process, NR latex is mixed with an aqueous suspension of fillers (silica/ carbon black) giving rise to a hetero-coagulum, which is further subjected to dehydration and drying. If this process is quickly developing at engineering level, the structural knowledge of the hetero-coagulum along the process as well as the mechanisms regulating aggregation is still at its infancy. To this aim, we employed a multimodal microscopy approach comprising: Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) (with both backscattering electron imaging and secondary electron), oprical super resolution microscopy (dSTROM) and atomic force microscopy coupled with infrared spectroscopy (AFM-IR) to investigate on the nanostructure of the hetero-coagulum and its evolution towards an elastomeric composite. We believe that understanding micro/nanoscopic mechanisms occuring during the liquid mixing process might open open up new ways of imrpovent and exploitation of this technology.