poly(methyl methacrylate) - lamellar silicate nanocomposites. Influence of loading and interface on the mechanical properties and the glass transition.
Nanocomposites polyméthacrylate de méthyle - silicates lamellaires.
Influence de la nature de la charge et de l'interface sur les propriétés mécaniques et sur la transition vitreuse.
Résumé
Various PMMA-silicate nanocomposites have been prepared by polymerizing in situ a dispersion of lamellar nanosilicate filler particles in methyl methacrylate. The role of the filler nature and the filler-matrix interface on both glass transition and plasticity was investigated by incorporating various types of inorganic fillers and tailoring the interface. Two phyllosilicate clays (cloisite and laponite) and two hybrid calcium silicates were used. The strength of the nanosilicate-matrix coupling was tailored in order to have either strong or weak coupling. Strong coupling was obtained by forming a covalent bound, whereas weak coupling was obtained by using an ion-exchanged coupling agent interacting by van der Waals forces with the matrix. The clays were pre-treated by cation exchange with ammoniums ions linked to one or two alkyl chains with (strong coupling) or without (weak coupling) a double bond end group able to react with methyl methacrylate. On the other hand, the hybrid calcium silicates nanoparticles were synthesized with vinyl groups bound on their surface (strong coupling). For each type of pre-treatment, the procedure was optimized in order to obtain the better fillers dispersion in the nanocomposites. X-ray diffraction and transmission electron microscopy were used to control the state of dispersion. Dynamical mechanical measurements show that the incorporation of lamellar nanoparticles in a thermoplastic matrix can lead to either an increase or to a reduction of the glass transition temperature. This variation seems to be better related to the nature of the interface than to the filler particles size.In all samples, the study of plasticity reveals a reinforcing effect which, however, remains lower than those observed with other types of nanocomposites based on a thermoplastic matrix.
Différents nanocomposites ont été préparés par polymérisation in situ d'une dispersion de nanosilicates lamellaires dans du méthacrylate de méthyle. L'influence de la nature de la charge et de l'interface nanoparticule-matice sur la plasticité et sur la transition vitreuse a été étudiée en incorporant différents types de nanoparticules : deux argiles phyllosilicates (la cloisite et la laponite) et deux silicates de calcium hybride qui différent, entre autre, par leur facteur de forme. Le couplage charge-matrice varie d'une liaison purement covalente, jusqu'à l'emploi d'agent lié par attraction ionique à la charge et interaction Van der Waals avec la matrice. La dispersion des phyllosilicates nécessite une étape d'échange cationique avec des ions ammoniums comportant une ou deux chaînes alkyles terminée ou non par une double liaison pouvant réagir avec le méthacrylate de méthyle. Quant aux silicates de calcium, ils ont été synthétisés avec des groupements vinyle en surface. Pour chaque type d'échange, le protocole a été optimisé afin d'obtenir la meilleure dispersion des charges dans le nanocomposite ; la diffraction X et la microscopie électronique à transmission ont été utilisées pour contrôler l'état de dispersion. L'étude par analyse mécanique dynamique montre que l'introduction de nanoparticules lamellaires dans une matrice thermoplastique peut conduire soit à une augmentation, soit à une diminution de la température de transition vitreuse. Cette variation semble liée à la nature de l'interface plutôt qu'à la taille de la charge. L'étude de la plasticité met en évidence, pour tous les systèmes, un effet renforçant des nanoparticules qui, cependant, reste inférieur à ceux observés dans d'autres nanocomposites à matrice thermoplastique.