Compatibilisation réactive in-situ

Principe

Dans la compatibilisation réactive, le copolymère est formé in situ. Les réactions alors mis en oeuvre dépendent des groupements fonctionnels incorporés. Une étude très complète de la plupart des réactions, groupements fonctionnels et polymères fonctionnalisés utilisés a été récemment faite par Liu et Huang [41]. L’architecture interfaciale du compatibilisant et les types de réactions mises en jeu sont donnés dans le tableau 1.1.

Les facteurs importants et nécessaires pour parvenir à une compatibilisation réactive efficace sont :

• une vitesse de cisaillement suffisante pour atteindre la dispersion désirée,

• la concentration des groupements réactifs qui assureront la formation des liaisons,

• la vitesse de la réaction de compatibilisation qui doit être compatible avec le temps d’élaboration.

De ce fait, en dispersant finement une phase dans l’autre, les distances que les macromolécules doivent parcourir sont faibles et, la tension interfaciale est diminuée.

Mécanismes réactionnels Structure du copolymère obtenu

Coupure et recombinaison des chaînes ^{Copolymère à blocs, séquencés ou} greffés

Réactions entre groupements

terminaux ^{Copolymère à blocs}

Réaction entre les greffons d’un polymère A et le groupe terminal d’un

polymère B

Copolymère greffé

Liaison ionique Structure greffée ou réticulée

Tableau 1.1 : Types de réactions et architectures du compatibilisant formé in situ à l’interface de polymères immiscibles.

Effet de la compatibilisation

La partie inférieure de la figure 1.2 illustre l’effet de la compatibilisation. Si le copolymère formé in situ a assez de temps pour diffuser à l’interface, sa présence entraîne une augmentation de la viscosité autour des particules et le drainage de la matière entre deux particules voisines devient très difficile voire impossible (cf. 2.4.2).

On observe alors :

• une réduction de la taille moyenne de la phase dispersée, due à la réduction voire la suppression de la coalescence et à la diminution de la tension interfaciale,

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• une augmentation de la vitesse de rupture des plus grosses particules de la phase dispersée,

• une distribution des tailles de la phase dispersée plus étroite,

• une diminution de la mobilité de l’interface qui diminue la vitesse de coalescence.

La plupart des travaux publiés comparant les mélanges compatibilisés de manière réactive aux mélanges non compatibilisés, constatent effectivement une réduction de la taille des particules de la phase dispersée ainsi qu’un affinement de la distribution des tailles, ce que les auteurs justifient par la réduction de la tension interfaciale et la réduction/suppression de la coalescence. Il reste cependant à démontrer lequel de ces deux phénomènes a le plus d’influence sur la stabilisation de la morphologie.

Sundararaj et Macosko [24] ont montré que la stabilisation de la morphologie est moins efficace par ajout d’un copolymère préformé par rapport aux mélanges compatibilisés in situ. De plus, une quantité très faible de copolymère (1%) généré in situ à l’interface suffit pour stabiliser la morphologie, et que pour obtenir un résultat identique, par addition d’un copolymère, une quantité largement supérieure serait nécessaire.

En comparant les deux voies de compatibilisation, on peut conclure que, dans les deux cas, la morphologie peut être stabilisée et l’adhésion interfaciale améliorée. En raison de la non-disponibilité de tous les copolymères, la compatibilisation non réactive implique beaucoup de transformation chimique. Par contre, le développement de compatibilisants in situ est une voie rapide et économique car ceux-ci sont réalisés pendant la préparation des mélanges. De ce fait, le copolymère se développe directement à l’interface et par conséquent le problème lié à la diffusion est moins important.

3 LES MELANGES A BASE DE POLYAMIDES

3.1INTRODUCTION

De nombreux efforts de développement ont été engagés ces dernières années pour la mise au point de mélanges à base de polyamides afin de répondre à des applications spécifiques nouvelles sans engendrer des coûts de développement trop élevés. On note, plusieurs travaux sur des mélanges de polyamide (PA), la plupart du temps dans une optique de renforcement des propriétés choc de ce polymère, mais aussi parfois pour réaliser des dispersions de PA dans un élastomère ou dans des polyoléfines.

Dans les années 30, les travaux de Carothers ont conduit, à partir de l'acide adipique et d'hexaméthylène diamine, à la synthèse d'un nouveau polymère : le polyamide 6-6. Les polyamides, plus connus sous le terme générique de Nylon, ont connu un développement rapide car, étant les premiers polymères obtenus sous forme semi-cristalline ils possédaient une température d'utilisation élevée et de bonnes propriétés mécaniques. D'abord produits sous forme de fibres, leur usage s'est ensuite étendu aux résines techniques. Il existe aujourd'hui une très grande variété de polyamides ou copolymères polyamides.

Leur formule chimique contient la fonction amide –(CO-NH)- au sein d’une chaîne carbonée.

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• -(CO-NH-R1)n - avec un seul groupement R1 dans l’élément de répétition.

• -(NH-R2-NH-CO-R3-CO-)n– avec deux groupements R2 et R3 dans l’élément de répétition.

Les groupements R₁, R₂ et R₃ sont donnés dans le tableau 1.2.

Groupes Abréviation du polyamide correspondant

(CH2)5 PA6 (CH₂)₁₀ PA11 R₁ (CH2)11 PA12 R2 R3 (CH2)6 (CH2)4 PA6.6 (CH2)6 (CH2)8 PA6.10 (CH2)6 (CH2)10 PA6.12 (CH₂)₄ (CH₂)₄ PA4.6

Tableau 1.2 : Polyamides les plus utilisés.

Dans ce qui suit, nous intéresserons plus particulièrement au polyamide 12, également appelé poly(lauryllactame), en présentant successivement son mode de synthèse, ses principales propriétés et applications.

3.2POLYAMIDE 12

Le premier polyamide 12 a été commercialisé à l’échelle semi-industrielle dès 1963. C’est un polymère thermoplastique, semi cristallin.

La polymérisation du lactame 12 est relativement aisée. Elle peut être réalisée soit par voie hydrolytique, soit par voie anionique. La première sert à alimenter tout procédé de mise en forme alors que la seconde est utilisée pour faire de l’extrusion réactive [42], de la pultrusion [43, 44] et pour réaliser le moulage « réactif » par injection de grandes pièces (RIM) [45].

3.2.1Propriétés

La majorité des propriétés du PA12 sont conditionnées par la présence des liaisons hydrogène entre les chaînes. De l’énergie cohésive élevée résultante découlent les bonnes propriétés des polyamides. Ainsi, leur résistance intrinsèque aux huiles et aux graisses, même à température élevée, explique leur large utilisation dans le domaine des transports (automobiles et camions notamment). Parmi les polyamides disponibles dans le commerce, le polyamide 12 est le plus léger et celui qui absorbe le moins d'eau. Il réunit des propriétés exceptionnelles comme:

9 une résilience élevée à température ambiante,

9 une résilience acceptable à basse température,

9 une bonne stabilité aux intempéries,

9 une résistance aux agents chimiques,