Analyse thermomécanique des mélanges d’élastomères

Les caoutchoucs conventionnels sont réticulés par une liaison de valence primaire, tandis que les TPE sont réticulés par une liaison de valence secondaire, telle que des interactions de Van Der Waals ou de dipôle ou une liaison hydrogène. Ce type de réticulation se décompose à température élevée ou sous l'influence d'un solvant. Par conséquent, la phase dure agit comme des réticulations physiques qui se comportent comme les réticulations de soufre dans les caoutchoucs vulcanisés conventionnels. Puisque les élastomères thermoplastiques sont des systèmes à séparation de phase, chaque phase influence les caractéristiques des élastomères thermoplastiques et de nombreuses propriétés des polymères individuels sont retenues dans ces matériaux. Les températures de transition vitreuse inférieures et supérieures T_g1, T_g2et le point de fusion cristallin T_mdes phases déterminent la gamme de température d'application, figure II-3 [60].

Il existe dans la littérature plusieurs études de caractérisation des propriétés physico-chimiques sur les élastomères thermoplastiques. On peut citer les travaux (S. Benmesli, F. Riahi 2014)[59], ont étudié les propriétés dynamiques et thermiques par analyse de DMA et DSC. Leur objectif était de voir l'effet de greffage du caoutchouc naturel et le polypropylène avec de l'anhydride dans un mélange de proportion 70/30. L'étude des propriétés mécaniques dynamiques (DMA) a montré que, à des températures inférieures à la température de transition vitreuse il y a une diminution du module de stockage (E’) et le module de perte (E՜՜) du mélange NR-g-MAH / PP-g-MAH. La figue II-4, présente la variation du module de perte

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E'' en fonction de la température. Ce paramètre exprime la composante visqueuse et la capacité du matériau à dissiper de l'énergie.

Figure II-3. Comportement du module à différentes températures d'un élastomère thermoplastique typique [60]

La variation du module de stockage E’ en fonction de la température est représentée sur la figure II-5. (E’) représente la composante élastique, c’est une indication de la capacité d'un matériau à stocker de l'énergie mécanique. Elle diminue avec la température ; aux basses températures le matériau à l'état vitreux présente une valeur élevée du module.

Figure II-4 : Variation du module de perte en fonction de la température

d’un TPE( NR/ PP et NR-g-MAH/PP-g-MAH) [59].

Durant le passage de l'état vitreux à l'état caoutchouteux, E’ décroît rapidement jusqu'à une valeur constante. Cette région est le début de la mobilité des chaînes ; elle correspond à la température de transition vitreuse (Tg). À des températures supérieures à (Tg), E’ enregistre une valeur minimale qui montre que le matériau est dans 'état caoutchouteux.

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Figure II-5 : variation du module de stockage en fonction de la température

d’un TPE et élastomère naturel[59].

D’après la figure II-6, on voit que la température de fusion et l’enthalpie de fusion sont restées inchangées, une légère diminution de cristallinité a été notée pour le mélange greffé, modifié chimiquement et non vulcanisé. Cependant, pour le mélange vulcanisé dynamiquement et greffé (NR-g-MAH / PP-g-MAH) une légère augmentation de la cristallinité fractionnaire a été notée. Cela peut être attribué à l'amélioration de l'interaction qui se développe entre les deux polymères après le greffage.

Figure II-6 : Analyse DSC : a) NR/PP, b) NR-g-MAH/PP-g-MAH, c)NR-g-MAH/PP-g-MAH/DCP,

Les auteurs [59], montrent qu’aucune différence n’est observée entre les températures de transition vitreuse des mélanges pour les deux tests (DSC et DMA). Cela peut être dû à un effet d'équilibrage entre la modification chimique conférée par la présence de groupes anhydrides maléiques volumineux et la limitation de la mobilité de la chaîne à la suite de la vulcanisation dynamique.

Une nouvelle étude sur les propriétés mécaniques d’un mélange d'élastomère vulcanisé à base de polyéthylène de basse densité et de poudre ultrafine a été effectuée par [61]. La figure II-7, montre les résultats du facteur de perte appelé aussi facteur d'amortissement Tg(δ) du thermoplastique élastomère avec les différents pourcentages d’élastomère. Ces auteurs ont constaté que, le faible facteur de perte reflète la haute rigidité de la phase rigide. En outre, dans le cas des mélanges, non seulement le facteur de perte s’accroît, mais ils ont observé également que la forme du pic s’élargit au sommet, ce qui est plus apparent dans les mélanges à fort taux d’élastomère.

Figure II-7 : facteur d’amortissement Tg(δ) en fonction de la température et du taux d’élastomères [60]

Dans une autre étude de caractérisation d’un autre type de thermoplastique élastomère appelé polymères renforcés par des particules d’élastomères, les auteurs (RT-PMMA)[61], ont remarqué que la variation de la consommation d'énergie est très brutale au passage d'un comportement de type fragile à ductile, elle augmente de manière très

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importante. La transition entre modes de rupture peut être observée lorsque l'on fait varier certains paramètres de rupture (vitesse, température...) ou suite à une modification des paramètres relatifs au mélange (taux de renfort, taille des particules...). L'ajout de cette deuxième phase (PMMA) apporte une certaine ductilité à la matrice vitreuse fragile (RT), à température ambiante (23°C) et à une vitesse de déformation de 10^-3s^-1. Donc, la transition ductile fragile sera toujours rapportée au paramètre conduisant à la modification du comportement du matériau. En pratique, les essais sont souvent réalisés à des vitesses de déformation fixées et le paramètre variable est la température : ce qui est le contraire dans notre étude où nous avons fait varier la vitesse de déformation à la température ambiante. Généralement, le comportement est ductile pour des températures élevées à de faibles vitesses de déformation et il est fragile à basses températures et à grandes vitesses de déformation [62], ceci est montré sur la figure II-8.

Figure II-8 : Essai de traction uni-axial d’un polymère fragile et renforcé

à température ambiante, à 10-3s-1[62].

Selon la géométrie de l'échantillon ou les conditions de sollicitation, un même matériau peut se rompre de façon fragile ou ductile (figure 1.13). Il faut noter que les notions de fragilité et de ductilité ne caractérisent pas le matériau mais son mode de rupture. Si la rupture a lieu dans le régime de déformation élastique avant le seuil

d'écoulement plastique, le comportement est fragile. L'énergie dissipée pendant la rupture est faible et la propagation de la fissure est souvent instable. Par contre, le comportement sera ductile s'il s'accompagne d'une déformation plastique étendue. La figure II-9(a,b), montre la réponse de trois types de polymères, en rupture fragile le (PMMA, PS) et ductile (PC) en traction et compression.

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