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Nanocomposites silice/polymère : structure des charges, renforcement mécanique, conformation des chaines et évolution sous déformation.
Nicolas Jouault
Laboratoire Léon Brillouin
Mardi 03/11/2009, 14h30
INSTN, CEA-Saclay

L'amélioration des propriétés physiques des matériaux polymères par des charges nanométriques est un enjeu permanent tant d'un point de vue fondamental qu'industriel. Le renforcement mécanique dans les nanocomposites est du à deux contributions : la qualité de la dispersion des charges et la nature de l'interaction charge/polymère. Toutefois ses deux mécanismes sont difficiles à décorreler et l'enjeu expérimental est de synthétiser des systèmes modèles permettant d'étudier ces deux effets séparément. En optimisant nos conditions de préparations nous avons synthétisé des nanocomposites modèles constitués de particules de silice dispersées dans un polymère amorphe (Polystyrène PS ou Polymèthylméthacrylate PMMA). En combinant des techniques de diffusion du rayonnement aux petits angles (X et neutrons) avec de la microscopie électronique en transmission (MET) nous avons pu caractériser l'arrangement spatial des charges sur plusieurs échelles de tailles caractéristiques (du nanomètre à plusieurs microns). Parallèlement à cette caractérisation structurale nous avons étudié les propriétés mécaniques des nanocomposites sur une large gamme de déformation.  Les résultats obtenus montrent qu'à haute concentration en particules nous observons une corrélation directe entre l'augmentation du module élastique avec la formation d'un réseau connecté de petits agrégats de particules. Aux faibles concentrations en particules, lorsque les agrégats sont très éloignés les uns des autres (non connectés), une transition de type solide est mesurée mettant ainsi en évidence une contribution non structurale du matériau à la sollicitation mécanique, attribuée à des modifications à longues portées de la dynamique des chaînes de polymère ou de la conformation des chaînes.  La conformation des chaînes a été étudiée par DNPA et n'est pas affectée par la présence des charges. Enfin l'évolution de la structure et de la conformation a été suivie par DXPA et DNPA mettant en évidence certaines hétérogénéités dans le champ de déformation.

Mots clés : nanocomposites, structure, renforcement mécanique, conformation, diffusion aux petits angles, déformation


Silica/Polymer nanocomposites: Filler structure, Mechanical reinforcement, Chain conformation, Evolution under deformation

The improvement of physical properties of polymer by nanofiller is still a permanent challenge both from an industrial than from a fundamental point of views.  In mechanical reinforcement of nanocomposites two main contributions are studied: the filler network effect and the interfacial effect between the matrix polymer chains and the particles. In the many experimental systems filled with nanofillers the experimental distinction of these two contributions is unclear currently because they are often correlated. It is important to synthesize model systems which permit to separate these two contributions. We have synthesized nanocomposites systems composed of polymer (polystyrene PS or polymethylmethacrylate PMMA) filled with silica nanoparticles. The local network structure is determined over a wide range of characteristic sizes by combining Small Angle Scattering techniques (SANS and SAXS) and Transmission Electronic Microscopy (TEM). At the same time the mechanical response of the nanocomposite materials has been investigated both for small and large deformations. We observed a jump towards high moduli corresponding to direct connectivity between the silica aggregates leading to the formation of filler network. At lower filler concentration, a first rheological liquid-soft solid transition is observed. This unexpected transition can be attributed to the formation of long-range glassy zones between the non-connected aggregates or the modification of chain conformation. The polymer chain conformation has been studied using a specific SANS method and no significant modifications have been observed in the presence of silica.  Furthermore we have investigated the evolution of filler structure and chain conformation under large deformation and revealed some heterogeneity in stress field.

Keywords: nanocomposites, filler structure, mechanical reinforcement, conformation, small angles scattering techniques, deformation

Contact : Francois BOUE

 

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