Microstructural Analysis of Semi-Crystalline Polymer Clay Nanocomposites - Relashionships with their Mechanical Properties.
Genese des Microstructures et Consequences sur les Proprietes Mecaniques dans les Polymeres Semi-Cristallins Renforces par des Charges Lamellaires
Résumé
This work is devoted to the development of new materials based on polymer semi-cristalline matrix (PA, PE) for packaging application. Among the possibilities to improve the barrier and the mechanical properties of semi-cristalline the use of nanometer size lamellar shape particles, such as montmorillonite, is certainly the most interesting one. The main advantages of montmorillonite are its low cost, a great potential specific area (700m2/g), a high aspect ratio (100) and good swelling properties. When dispersed homogeneously in a polymer matrix, even at a very low weight ratio, the nanolayers can greatly enhance the thermal stability, mechanical and barrier properties, as reported in the literature. Though significant progress has been made in developing nanocomposites with different polymer matrices, a general understanding has yet to emerge and particularly on the structure-properties relationships.
This manuscript is constructed according to two observations in order to understand the structure-properties relationships of semi-cristalline polymer-clay nanocomposites:
- On the one hand, today most techniques used in a standard procedure (X-Ray Diffraction, Transmission Electron Microscopy) do not allow a correct interpretation of polymer-clay nanocomposite structure and dispersion. In this work, we propose an Image Analysis Procedure (I.A.P.) based on TEM and Optical Microscopy observations to characterize the clay dispersion in polymer clay nanocomposites. Thanks to it, we have shown it was possible to evaluate morphological and dispersion parameters that can be directly related to the nanocomposite processing, the clay weight ratio and to the nature of the compatibilizer. Moreover, complementary experiments by Small Angle X-Ray Scattering, environnemetal Microscopy (ESEM) and rheological measurements, have shown that the morphological interpretation with the IAP was representative of the material in its whole.
- On the other hand, the analysis of the properties of semi-cristalline nanocomposites most often does not take into account the real state of dispersion of the nanocomposite, the crystalline texture, the clay particle orientation and also the matrix- filler possible interactions. The last part of this work is devoted to the relative importance of these parameters on the mechanical properties. Among others, we have noticed in PE-clay nanocomposites that the most exfoliated systems were not the ones that had the best reinforcement. Ever since, we have tried to characterize more deeply the origin of the coupling between the polymer crystallites and the clay particles. Two procedures were proposed. At last, a qualitative approach by Finite Element Modelling helps to confirm the key role of the interactions in the reinforcement of semi-cristalline nanocomposites.
This manuscript is constructed according to two observations in order to understand the structure-properties relationships of semi-cristalline polymer-clay nanocomposites:
- On the one hand, today most techniques used in a standard procedure (X-Ray Diffraction, Transmission Electron Microscopy) do not allow a correct interpretation of polymer-clay nanocomposite structure and dispersion. In this work, we propose an Image Analysis Procedure (I.A.P.) based on TEM and Optical Microscopy observations to characterize the clay dispersion in polymer clay nanocomposites. Thanks to it, we have shown it was possible to evaluate morphological and dispersion parameters that can be directly related to the nanocomposite processing, the clay weight ratio and to the nature of the compatibilizer. Moreover, complementary experiments by Small Angle X-Ray Scattering, environnemetal Microscopy (ESEM) and rheological measurements, have shown that the morphological interpretation with the IAP was representative of the material in its whole.
- On the other hand, the analysis of the properties of semi-cristalline nanocomposites most often does not take into account the real state of dispersion of the nanocomposite, the crystalline texture, the clay particle orientation and also the matrix- filler possible interactions. The last part of this work is devoted to the relative importance of these parameters on the mechanical properties. Among others, we have noticed in PE-clay nanocomposites that the most exfoliated systems were not the ones that had the best reinforcement. Ever since, we have tried to characterize more deeply the origin of the coupling between the polymer crystallites and the clay particles. Two procedures were proposed. At last, a qualitative approach by Finite Element Modelling helps to confirm the key role of the interactions in the reinforcement of semi-cristalline nanocomposites.
Ce travail de thèse s'inscrit dans le développement de nouveaux matériaux barrière à matrice semi-cristalline (PE, PA), pour l'emballage alimentaire. A ce titre, l'insertion dans une matrice de polyamide-6 de particules lamellaires de taille nanométrique, du type montmorillonite, permet des améliorations des propriétés barrière, mais aussi des propriétés thermomécaniques, et ce, pour des taux de charge très faibles (<5%). En revanche, dans une matrice polyéthylène, l'ajout d'argile ne conduit pas aux mêmes améliorations des propriétés.
Afin de comprendre pourquoi l'ajout de nano-renfort n'induit pas toujours dans les matrices semi-cristallines les effets potentiellement escomptés, ce travail s'articule autour de deux constatations :
- la première concerne la caractérisation de la morphologie des nanocomposites à renforts lamellaires : les techniques de Microscopie Electronique à Transmission et Diffraction des Rayons X, utilisées telles qu'elles le sont dans la littérature, ne sont pas adaptées à la caractérisation de ces systèmes. Pour remédier à cela, nous proposons dans une première partie une méthodologie par analyse d'images, de microscopie électronique et optique, pour quantifier l'état de dispersion des feuillets d'argile dans la matrice. Grâce à celle-ci, nous avons montré qu'il était possible d'évaluer des paramètres morphologiques et de dispersion qui peuvent mettre en évidence l'effet de la mise en oeuvre, du taux de charge et de la nature du compatibilisant sur la dispersion et l'exfoliation des particules d'argile. De plus, des expériences complémentaires par SAXS, ESEM et par analyse rhéologique, ont montré que la morphologie par analyse d'images était représentative de la morphologie du nanocomposite dans son ensemble.
- la seconde concerne l'analyse des propriétés mécaniques des nanocomposites à matrice semi-cristalline et à renforts lamellaires : celle-ci ne prend pas en compte l'état réel de dispersion, la texture cristalline, l'orientation des particules d'argile ainsi que les interactions renfort-matrice. La deuxième partie de ce travail fait état de l'importance relative de ces différents paramètres sur les propriétés mécaniques. Entre autres, nous avons pu constater que les systèmes les mieux exfoliés n'étaient pas forcément ceux pour lesquels le renforcement était le plus important. Dès lors, nous avons cherché à caractériser la nature du couplage entre les cristallites polymère et les renforts plaquettaires. Deux méthodologies sont proposées. Enfin, une approche qualitative par éléments finis a permis de confirmer le rôle prépondérant des interactions dans le renforcement des nanocomposites lamellaires.
Afin de comprendre pourquoi l'ajout de nano-renfort n'induit pas toujours dans les matrices semi-cristallines les effets potentiellement escomptés, ce travail s'articule autour de deux constatations :
- la première concerne la caractérisation de la morphologie des nanocomposites à renforts lamellaires : les techniques de Microscopie Electronique à Transmission et Diffraction des Rayons X, utilisées telles qu'elles le sont dans la littérature, ne sont pas adaptées à la caractérisation de ces systèmes. Pour remédier à cela, nous proposons dans une première partie une méthodologie par analyse d'images, de microscopie électronique et optique, pour quantifier l'état de dispersion des feuillets d'argile dans la matrice. Grâce à celle-ci, nous avons montré qu'il était possible d'évaluer des paramètres morphologiques et de dispersion qui peuvent mettre en évidence l'effet de la mise en oeuvre, du taux de charge et de la nature du compatibilisant sur la dispersion et l'exfoliation des particules d'argile. De plus, des expériences complémentaires par SAXS, ESEM et par analyse rhéologique, ont montré que la morphologie par analyse d'images était représentative de la morphologie du nanocomposite dans son ensemble.
- la seconde concerne l'analyse des propriétés mécaniques des nanocomposites à matrice semi-cristalline et à renforts lamellaires : celle-ci ne prend pas en compte l'état réel de dispersion, la texture cristalline, l'orientation des particules d'argile ainsi que les interactions renfort-matrice. La deuxième partie de ce travail fait état de l'importance relative de ces différents paramètres sur les propriétés mécaniques. Entre autres, nous avons pu constater que les systèmes les mieux exfoliés n'étaient pas forcément ceux pour lesquels le renforcement était le plus important. Dès lors, nous avons cherché à caractériser la nature du couplage entre les cristallites polymère et les renforts plaquettaires. Deux méthodologies sont proposées. Enfin, une approche qualitative par éléments finis a permis de confirmer le rôle prépondérant des interactions dans le renforcement des nanocomposites lamellaires.
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