Impression 3D de bionanocomposites et de mélanges conducteurs

3D printing of conductive bionanocomposites and blends

• Auteur / Autrice : Nour Alhoda Masarra
• Direction : José-Marie Lopez-Cuesta, Roland El Hage
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 17/01/2023
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PCH Polymères, composites, hybrides - Polymères Composites et Hybrides
• Jury : Président / Présidente : Cécile Nouvel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : José-Marie Lopez-Cuesta, Mustapha Kaci, Luca Fambri, Henri Vahabi, Jean-Christophe Quantin, Monica Francesca Pucci
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Nouvel, Mustapha Kaci

Mots clés

Mots clés libres

Impression 3D

Polymères biodégradables

GNP

Conductivité électrique

Double percolation électrique

PLA

PCL

PBAT

FFF

Injection

Thermocompression

Percolation électrique

3D printing

Biodegradable polymers

GNP

Electrical conductivity

Double electrical percolation

PLA

PCL

PBAT

FFF

Injection moulding

Compression moulding

Electrical percolation

Résumé

La demande en polymères conducteurs biodégradables possédant à la fois des propriétés de conductivité électrique et de biodégradabilité connait une augmentation rapide ces dernières années en raison des besoins environnementaux et du développement durable des écosystèmes. Par conséquent, l'objectif de ce projet de thèse est consacré au développement de nouveaux polymères nanocomposites dans le but d'améliorer les performances des pièces imprimées en 3D obtenues par fabrication de filaments fondus (FFF). L'attention est portée sur les nanocharges de nanoplaquettes de graphène (GNP) incorporées dans l'acide polylactique (PLA) et ses mélanges tels que PLA/polycaprolactone (PCL) et PLA/polybutylène adipate téréphtalate (PBAT). Les études d'optimisation du PLA et PLA/PCL par dissolution/évaporation de solvant, injection et impression 3D montrent des performances prometteuses pour le PLA80/PCL20 et le M5 GNP. L'ajout de M5 GNP à différentes proportions dans la matrice PLA80/ PCL20 obtenue par extrusion suivie d'un moulage par injection et FFF a mis en évidence une microstructure de type mer/îles avec une localisation sélective des particules de GNP dans les nodules PCL. A cause de leurs différences microstructurales, les échantillons imprimés en 3D ont montré un caractère semi-conducteur à partir de de 15 % en masse de graphène alors que les échantillons obtenus par injection ont eu un comportement isolant, même à 25 % en masse de GNP. Par la suite, le seuil de double percolation électrique a été développé dans des composites PLA/PCL/GNP compressés à chaud et imprimés en 3D dont le pourcentage de graphène était fixé à 10 %. Les propriétés électriques, rhéologiques, le taux de cristallinité des polymères et l'amélioration de la formation de char étaient optimales, en particulier pour le PLA65/PCL35/GNP. Les échantillons compressés à chaud ont montré une conductivité électrique supérieure à celle des échantillons imprimés en 3D en raison de leur microstructure co-continue qui s'étend sur toute leur surface. Des résultats préliminaires sur les composites PLA/PBAT/GNP ont mis en évidence une localisation préférentielle du graphène dans la phase PBAT et donne de meilleures performances électriques pour les échantillons préparés par compression à chaud par rapport à l'impression 3D. Des investigations approfondies sont nécessaires pour améliorer les performances électriques des échantillons imprimés en 3D.

The demand on conductive polymers possessing both functionality and biodegradability is increasing rapidly due to the need for environmental sustainable protection. In this regard, the objective of this PhD project is devoted to the development of novel polymer nanocomposites with the final aim to improve the performance of the 3D printed parts obtained by fused filament fabrication (FFF). The attention is focused on graphene nanoplatelets (GNP) nanofillers incorporated into polylactic acid (PLA) and its blends PLA/polycaprolactone (PCL) and PLA/polybutylene adipate terephthalate (PBAT). Optimization studies on PLA and PLA/PCL blend composites by solvent casting, injection moulding, and 3D printing showed promising performance for PLA80/PCL20 filled with M5 GNP. The addition of M5 GNP at different proportions to PLA80/PCL20 matrix using twin-screw extrusion followed by injection moulding and FFF highlighted a sea-island microstructure with selective localization of the GNP particles in the PCL nodules. Due to the microstructural differences, the 3D printed samples showed a semi-conductive character at and above 15 wt.% of graphene, whereas the injection moulded samples possesed an insulating nature even at 25 wt.% of the nanofiller. Afterwards, the double electrical percolation threshold was developed in compression moulded and 3D printed PLA/PCL/GNP composites whose percentage of graphene was fixed at 10 wt.%. The electrical and rheological properties, polymers crystallinity percentage, and char formation improvement were optimal for PLA65/PCL35/GNP. Compression moulded samples had superior electrical conductivity on the 3D printed samples due to their co-continuous microstructure that is extended all over the whole surface. Preliminary results of PLA/PBAT/GNP composites showed that graphene is fully selectively localized in the PBAT phase and has better electrical performance for samples prepared by compression moulding compared to 3D printing. Deep investigations are still required to improve the electrical performance of these 3D printed systems.