Introduction d'anisotropie dans des doubles réseaux élastomères par orientation et réticulation en deux étapes

Introduction of anisotropy in double network elastomers by orientation and two-step curing

• Auteur / Autrice : Ludovic Feige
• Direction : Costantino Creton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et ingénierie de la matière molle (Paris ; 1997-....) - Sciences et Ingénierie de la Matière Molle / SIMM
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Renaud Nicolaÿ
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Costantino Creton, Renaud Nicolaÿ, Catherine Amiel, Julie Diani, Guillaume Miquelard-Garnier, Meredith Wiseman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Amiel, Julie Diani

Mots clés

Mots clés libres

Élastomère

Réseaux multiples

Double réticulation

Anisotropie

Mécanique

Fracture

Elastomer

Multiple networks

Dual-Curing

Anisotropy

Mechanics

Fracture

Résumé

Les doubles réseaux élastomères sont composés de deux réseaux de polymères interpénétrés. Un « réseau de charge » fortement réticulé et pré-étiré isotropiquement est incorporé dans un « réseau matrice » mou. Les propriétés d’un tel composite moléculaire dépendent principalement de l’état d’étirement des chaines du réseau de charge qui dicte leur extensibilité maximale. Ici, nous introduisons une part d’anisotropie dans l’architecture des doubles réseaux en utilisant des réseaux de charge pré-orientés dans une direction en particulier. Ce pré-étirement uniaxial est obtenu en réticulant le réseau de charge en deux temps, le deuxième étant réalisée à l’état étiré. Deux systèmes de double réticulation sont conçus et activés soit par chauffage soit par UV. Des réseaux de charge pré-étirés sont ensuite obtenus et ne montrent pas d’anisotropie ni de module ni de gonflement. En revanche, les doubles réseaux préparés à partir de réseaux de charge pré-étirés ont un comportement anisotrope à grande déformation. En particulier, la direction transverse n’est pas prédite par des modèles de type champ moyen. Nous proposons un nouveau modèle basé sur la non-additivité des extensibilités limites des deux populations de points de réticulations afin de prédire semi-quantitativement le comportement en grande déformation de ces matériaux tenaces et anisotropes. Nous trouvons également que les endommagements visibles en petite et grande déformation sont découplés, contrairement aux élastomères chargés dans lesquels un seul paramètre d’endommagement suffit pour décrire les deux régimes. Au final, ces nouveaux doubles réseaux constituent un pas vers des applications pratiques, des matériaux et des situations qui sont plus proches de la réalité.

Double network elastomers are composed of two interpenetrated polymeric networks. A highly-crosslinked and isotropically prestretched filler network is embedded into a soft matrix network. The properties of such a molecular composite primarily depend on the state of stretch of the filler network chains, which dictates their maximum extensibility. Here, we introduce some anisotropy into the double network architecture by using uniaxially pre-oriented filler networks. This prestretching is obtained by crosslinking the filler network in two steps, the second one being performed in the stretched state. Two dual-curing systems are designed, activated either by heating or by UV. Prestretched filler networks are then prepared and do not show any anisotropy in modulus nor swelling ratio. However, double networks prepared from prestretched filler networks show a pronounced anisotropic behavior in large strain. In particular, the transverse direction is not predicted by mean-field models. We propose a new model based on the non-additivity of the finite extensibility for both populations of crosslinks to predict semi-quantitatively the large strain behavior of these anisotropic tough materials. Interestingly we find also that the damage in small and large strain are decoupled, as opposed to conventional filled rubbers where a single damage parameter is sufficient for both regimes. All in all, these new double network elastomers based on more complex network topologies represent a new step toward practical applications, materials and situations that are closer to real life situations.