Study of natural rubber latex/silica aerogel composite for thermal insulation

par Chayanan Boonrawd

Thèse de doctorat en Chimie et sciences des matériaux. Composite polymère, polymère colliodal

Sous la direction de Lazhar Benyahia et de Darapond Triampo.

Soutenue le 25-01-2023

à Le Mans en cotutelle avec Mahidol University (Bangkok, Thaïlande) , dans le cadre de École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans) , en partenariat avec Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans) (laboratoire) et de Institut des Molécules et Matériaux du Mans (laboratoire) .

Le président du jury était Nadia El Kissi.

Le jury était composé de Supan Yodyingyong, Preeyanuch Junkong, Christophe Chassenieux.

Les rapporteurs étaient Julien Ville, Chor Wayakron Phetphaisit.

mots clés

• Latex de caoutchouc naturel
• Aérogel de silice
• Isolation thermique
• Émulsions de Pickering
• Analyse microstructurale
• Propriétés rhéologiques
• Propriétés mécaniques
• Composites polymères -- Propriétés thermomécaniques
• Latex
• Gel de silice
• Isolants thermiques -- Propriétés mécaniques
• Émulsions de Pickering

Titre traduit

Etude d'un composite a base de latex de caoutchouc naturel et d'aérogel de silice pour des applications en isolation thermique

Résumé

Les travaux de cette thèse visent à étudier une nouvelle stratégie d’élaboration de matériaux composites poreuxdestinés à des applications d’isolation thermique. En effet, les matériaux, à base de latex de caoutchouc naturel (NRL)et d’un aérogel de silice (SA), sont d’abord préparés en phase liquide afin d’obtenir une émulsion gélifiée (emulegel).La structure de l’emulgel a pour vocation de survivre le processus de séchage pour constituer le squelette de la moussecomposite finale. À travers le choix des composants, NRL et SA, et de la structure poreuse de ces systèmes, il est tout àfait possible de moduler la résilience, les propriétés mécaniques et rhéologiques ainsi que la tenue au feu des produitsfinaux. Les composites ont donc été formulés à partir de boues initialement préparées en mélangeant une suspension de SAdans le n-hexane et un latex de NRL. Les gouttes aqueuses de ce dernier se trouvent alors séquestrées dans une matricedense de particules de SA en formant un emulgel dont la structure, déterminées grâce à des observations enmicroscopie confocale, est celle d’une émulsion de Pickering. Après évaporation des solvants et séchage des boues, lastructure des composites n’est que l’empreinte des emulgels précédents. Il s’avère donc tout à fait possible de contrôleret de moduler la structure des composites par l’ajustement de la composition des boues de départ. Par ailleurs, lesanalyses en microscopie électronique à balayage ont permis d’évaluer toute la complexité de la structure descomposites, sur le plan de la morphologie et de l’interpénétration progressive des latex de NRL dans les intersticesinévitablement présents entre les particules de SA. En plus des propriétés d’isolation thermique, les propriétés mécaniques des composites sont aussi très importantes.Dans cette optique, nous avons souhaité étudier les propriétés mécaniques des composites ainsi que le comportementrhéologique des boues. Nous avons démontré que ces comportements étaient intimement liés à la concentration en SAet NRL, au ratio volumique de leurs suspensions respectives, mais également à la structure de deux phases à travers ladistribution de tailles des gouttes initiales. De plus, et de manière inédite, nous avons démontré que le module élastiquedes composites varie comme une loi puissance du module élastique en cisaillement des boues originelles ce qui permetalors de prédire la tenue mécanique des composites à partir de la rhéologie des boues.

mots clés

• Natural rubber latex
• Silica aerogel
• Thermal insulation
• Pickering emulsions
• Microstructural analysis
• Rheological properties
• Mechanical properties

Résumé

The aim of this thesis is to study a new strategy for the elaboration of porous composite materials for thermalinsulation applications. Indeed, the materials, based on natural rubber latex (NRL) and a silica aerogel (SA),are first prepared in liquid phase to obtain a gelled emulsion (emulegel). The emulgel structure is intended tosurvive the drying process to form the skeleton of the final composite foam. Through the choice ofcomponents, NRL and SA, and the porous structure of these systems, it is quite possible to modulate theresilience, mechanical and rheological properties as well as the fire resistance of the final products. Composites were therefore formulated from slurries initially prepared by mixing a suspension of SA in nhexane and a latex of NRL. The aqueous drops of the latter are then sequestered in a dense matrix of SAparticles forming an emulgel whose structure, determined through confocal microscopy observations, is thatof a Pickering emulsion. After evaporation of the solvents and drying of the slurries, the structure of thecomposites is only the footprint of the previous emulgels. It is therefore possible to control and modulate thestructure of the composites by adjusting the composition of the starting slurries. Moreover, scanning electronmicroscopy analyses have allowed to evaluate the complexity of the composites structure, in terms ofmorphology and progressive interpenetration of NRL latexes in the interstices inevitably present between theSA particles. In addition to the thermal insulation properties, the mechanical properties of the composites are also veryimportant. With this in mind, we wished to study the mechanical properties of the composites as well as therheological behavior of the slurries. We have shown that these behaviors were directly related to theconcentration of SA and NRL, to the volume ratio of their respective suspensions, but also to the structure ofthe two phases through the size distribution of the initial drops. Moreover, and in a novel way, we havedemonstrated that the elastic modulus of the composites varies as a power law of the elastic shear modulus ofthe original slurries, which allows to predict the mechanical strength of the composites from the rheology ofthe slurries.