Les matériaux (matrices et nanocomposites) utilisés dans ce travail ont été fabriqués par voie solvant (Section 2.2.2 du chapitre 2). Dans le cas des nanocomposites, le rôle du solvant est de faciliter le mélange entre la matrice et les nanoparticules. Le solvant a été utilisé dans la fabrication des éprouvettes de la matrice pour uniformiser le procédé de mise en œuvre. Beaucoup d’études présentes dans la littérature traitent de l’impact du procédé de mise en œuvre sur les propriétés des polymères [96, 97][117]. Dans le procédé de mise en œuvre utilisé dans ce travail, l’élément influençant principalement les propriétés de la matrice est le solvant qui est difficile à éliminer totalement de la matrice. Comme observé en thermogravimétrie (Figure 2.8 du chapitre 2), il y a une perte de 5% en masse entre 200°C et 320°C. Cette perte est due à l’évaporation des molécules d’eau présente dans la matrice et aux traces de solvant qui peuvent être piégées dans la matrice.
Nous allons dans cette partie caractériser les propriétés de la matrice avant et après fabrication. Des essais mécaniques (traction instrumenté, DMA) et thermiques (DSC, DMA, DSC couplé à la diffraction des Rayons X en température (WAXS-DSC)) ont été réalisés. Les essais de traction ont été faits à une vitesse de 1mm/min et à température ambiante de 23°C suivant la norme ISO 527. En DMA, les essais ont été réalisés à la fréquence de référence de 1Hz entre 20°C et 120°C avec une vitesse de chauffe de 2°C/min. Le choix de la vitesse de chauffe est adapté à la plage de température étudiée et à l’épaisseur de l’éprouvette. Une vitesse de chauffe élevée pour la plage de température étudiée ne permettrait pas d’avoir une diffusion uniforme de la chaleur dans l’éprouvette. Quant au DSC, les essais ont été faits entre 0°C et 400°C avec une vitesse de 10°C/min. Là aussi le choix de la vitesse de chauffe est adapté aux dimensions de l’échantillon et de la plage de température.
Sur la figure 3.1 sont représentées les courbes de comportement mécanique de la matrice avant (PMMA) et après (PMMA/0) fabrication. Les courbes de comportement mécanique des deux matériaux sont identiques dans la zone élastique avant de diverger aux grandes valeurs de déformation. Le PMMA est caractérisé par un module de Young moyen de 3,1GPa, une 67
contrainte moyenne à l’écoulement de 55,4±2MPa et une déformation moyenne à la rupture de 6%. Quant au PMMA/0, le module de Young moyen est de 3±0,1GPa, 57,8±1,4MPa pour la contrainte moyenne à l’écoulement et la déformation moyenne à la rupture est de 3,4%. Bien que le module de Young et la contrainte à l’écoulement soient conservés, la matrice a changé de comportement à la rupture. En effet il est passé d’un comportement ductile à un comportement fragile. Ce changement de comportement est marqué par la baisse de la déformation à rupture et le raidissement de la courbe du c omportement. Un changement similaire de comportement a également été observé dans la littérature [97]. Les auteurs ont étudié l’effet du c hoix des solvants (DMF, toluène et chloroforme) sur les propriétés mécaniques et thermiques du PMMA. Ils ont remarqué que les propriétés du PMMA varient suivant le solvant utilisé. Dans le cas du DMF, ils ont observé une légère baisse du module de Young et une baisse de la température de la transition vitreuse. La baisse de la déformation à rupture est due à des remplacements des groupements méthyl (-CH3) de la matrice par des groupements amines (-NH3). Les groupements amines sont susceptibles de créer des ponts hydrogènes qui réduisent ainsi la mobilité des chaînes sous sollicitations mécaniques. Ce réduction de mobilité conduit à de faible déformation aux grandes valeurs de contrainte [97].
Figure 3.1 : Courbes comparatives des propriétés mécaniques de la matrice avant (PMMA) et après (PMMA/0) fabrication.
La figure 3.2 montre le comportement viscoélastique de la matrice avant et après fabrication. Elle représente l’évolution des modules de conservation (
E'
) et de perte (E"
) des deux matériaux (PMMA et PMMA/0) en fonction de la température. On remarque un changement des propriétés viscoélastiques en fonction de la température. Le module de conservationE'
des deux matériaux semble se rapprocher aux faibles températures avant de diverger aux températures élevées. La courbe du module de dissipation de la matrice PMMA se décale vers la gauche après fabrication. En effet le remplacement des groupements méthyles dans le matériau provoque l’écoulement du matériau lorsque la température augmente. La vibration des chaînes de la matrice lors de l’essai DMA est perturbée par les molécules du solvant qui dans leur mobilité activent celle des chaînes quand la température augmente [97]. Cette mobilité précoce des chaînes provoque le ramollissement du matériau à p artir d’une certaine température et conduit à la baisse du module de conservation comparé à celui de la matrice avant fabrication. Le matériau étant ramollit, il en résulte une augmentation de ses propriétés visqueuses comme on peut le voir sur la figure 3.2.Figure 3.2 : Courbes comparatives des propriétés viscoélastiques de la matrice avant (PMMA) et après (PMMA/0) fabrication.
Les figures 3.3 et 3.4 représentent respectivement les courbes DMA et DSC du PMMA et PMMA/0. On peut observer sur ces deux figures que la température de transition du PMMA/0 est inférieure à celle du PMMA. Cette baisse est également due à la mobilité précoce des chaînes de la matrice qui est induite par celle des molécules du solvant. La transition vitreuse est un mouvement coopératif des chaînes de la matrice. C’est un phénomène thermiquement actif. Comme dans le cas du module de conservation, la mobilité précoce des chaînes de la matrice se traduit par un décalage de la zone de transition vers de faibles valeurs de température. On pourrait procéder à u ne élimination totale du solvant par des cycles de chauffe et de refroidissement de la matrice. Cette technique conduit souvent à la dégradation de la matrice du fait du chargement thermique qu’elle implique.
Figure 3.3 : Courbes comparatives de la transition principale (Tg) de la matrice avant (PMMA) et après (PMMA/0) fabrication avec la DMA.
Figure 3.4 : Courbes comparatives de la transition vitreuse (Tg) de la matrice avant (PMMA) et après (PMMA/0) fabrication avec la DSC.
Le procédé de mise en œuvre utilisé pour la fabrication de nos matériaux a permis de conserver les propriétés élastiques de la matrice même si la déformation à l a rupture a ét é réduite. Ce procédé a laissé dans la matrice des traces du solvant. Ces traces ont conduit à une diminution des températures caractéristiques par une mobilité précoce des chaînes de la matrice. Le procédé de mise en œuvre étant le même pour la matrice et les nanocomposites, nous utiliserons comme propriétés de références celles de la matrice PMMA/0.