Elaboration des échantillons

Fig. ^{2.13 –} Dispositif de mesure de spectroscopie diélectrique basse fréquence

2.3 Elaboration des échantillons

Le polymère de base utilisé dans notre étude est un élastomère silicone du com-merce de type "Liquid Silicone Rubber" (RhodorsilrLSR8228). La polymérisation a lieu selon le principe de réaction de réticulation par polyaddition entre la ma-trice polymère et l’agent plastifiant. La mama-trice polymère est un Poly(DiMethyl Siloxane) avec des terminaisons vinyles. L’agent réticulant est un copolymère du type méthylehydrosiloxane–diméthylsiloxane. La réticulation est effectuée en pré-sence d’un catalyseur à base de platine. Cette réticulation est réalisée à température ambiante sans production de résidus de décomposition.

Le LSR8228 possède des charges minérales de renfort de type silice fumée de taille micrométrique. La taille des charges varie de 1 à environ 30 µm d’après des analyses effectuées par microscopie electronique à balayage. Le taux de charge es-timé par microanalyse X du ratio Si–C sur des échantillons carbonisés (pyrolysés à 1000˚C) est de 30% en poids.

2.3. Elaboration des échantillons 72

Des travaux réalisés récemment ont montré que l’ajout de charges de renfort de taille nanométrique dans des élastomères silicones permettait d’obtenir de meilleures propriétés mécaniques comparées aux mêmes matériaux comportant des charges mi-crométriques^102–104. D’un point de vue électrique, l’effet de l’ajout de charges nano-métriques sur la dérive des propriétés électriques reste méconnu en particulier pour des applications dans le domaine de l’isolation électrique.

Les propriétés des nanoparticules de silice utilisées dans notre étude sont résu-mées dans le tableau 2.2.

Propriétés de la silice amorphe

SiO_x x= 1,2−1,6 Pureté 99 ;5% APS 15nm SSA 160m²/g Couleur Blanche Morphologie Sphérique Densité volumique 0,11g/cm³

Tab. 2.2 – Propriétés des nanoparticules de SiOx utilisées (Nanostructured and Amorphous Materials Inc. http ://www.nanoamor.com). APS : Average Particle Size. SSA Specific Surface Area.

Les nanoparticules de silice et la matrice polymère ont été conditionnées pendant

1h à 150˚C sous vide afin d’évacuer l’humidité présente. Le mélange du PDMS et des nanoparticules a été effectué mécaniquement à faible vitesse de rotation grâce à un mélangeur Szeguari Attritor System pendant 1h. Ensuite l’agent réticulant a été ajouté et mélangé pendant 10mn.

Le mélange final a été déposé par gravité sur une plaque de verre polie. Il a été dégazé pendant20mnsous vide et finalement pressé avec une autre plaque de verre polie pendant 24h à T_amb en exerçant une pression de 10N cm⁻2.

Après avoir démoulé les échantillons ils ont été placés dans une étuve à 100˚C pendant 1h pour compléter la réticulation. On a ainsi obtenu des plaques de diffé-rentes épaisseurs comprises entre 0,2et 1mm.

2.3. Elaboration des échantillons 73

Nous avons illustré le procédé d’elaboration des différents échantillons sur la Fig. 2.14

.

Fig.^{2.14 –} Elaboration des échantillons : LSR de base (a), nanocomposites silicone(b).

Des échantillons sans charge ajoutée (que nous appellerons par la suite LSR) ont été élaborés. Des échantillons nanocomposites silicone (dans la suite nous nous référerons à ceux–ci commeNCx avecxqui correspond au taux de charge en poids) ont été préparés avec différents taux de charge. Nous avons résumé sur le tableau 2.3 les différents échantillons élaborés à partir de la matrice élastomère de base (LSR).

échantillon type de charge taille de charges taux (% massique)

LSR – – –

NC₁ SiO_x 15 nm 1

NC₃ SiO_x 15 nm 3

NC₅ SiO_x 15 nm 5

NC₁₀ SiO_x 15 nm 10

Tab. ^{2.3 –} Échantillons élaborés à partir de la matrice élastomère de base avec différents taux de charges (en poids).

A titre indicatif nous montrons sur la Fig. 2.15 la matrice LSR8228 utilisée, les nanocharges de silice de 15nm et des charges de silice fumée de 3µm de taille.

2.3. Elaboration des échantillons 74

Fig.^{2.15 –}Matrice polymère (a), nanocharges de silice de 15nm de diamètre (b) et microcharges de silice fumée de 3µm de taille (c).

2.3.1 Dispersion des nanoparticules par malaxage mécanique

L’étude de la dispersion des particules de silice dans une matrice silicone par malaxage mécanique a fait objet de plusieurs investigations^76;105–107. Le renforce-ment des propriétés mécaniques d’un élastomère silicone est dû en grande partie à l’adsorption du PDMS à la surface de la silice. Cohen–Addad et Morel⁷⁴ dans une étude menée par résonance magnétique nucléaire (NMR) sur l’adsorption du PDMS à la surface d’agrégats de silice (sans traitement de la surface) ont montré que les chaînes du PDMS solidement adsorbées n’occupaient qu’un quart de la surface des agrégats immédiatement après le mélange mécanique (20mn). Les chaînes molécu-laires du PDMS peuvent créer des connexions intra–particules et inter–particules, ce qui permettrait la formation d’un réseau qui globalement va renforcer le compo-site^71;105.

L’adsorption du PDMS et la rupture des agrégats ne sont pas les seuls phé-nomènes physiques qui vont déterminer la taille finale des particules^76;106;107. La dispersion de particules solides dans des liquides visqueux est généralement décrite en cinq étapes^108;109 :

1. introduction de la poudre dans le polymère liquide,

2. mouillage ou pénétration du polymère dans la particule : étant donné le ca-ractère poreux de la silice, l’air est graduellement chassé et remplacé par le liquide,

2.3. Elaboration des échantillons 75

3. adsorption du PDMS à la surface de la silice, permettant des points d’attache entre la particule et le polymère110–112,

4. rupture et/ou érosion des particules

5. éventuellement, floculation des particules dispersées.

Nous avons établi deux scénarios possibles sur la morphologie de nos échantillons nanocomposites (Fig. 2.16). Nous avons représenté, à titre d’exemple, une particule de silice de taille micrométrique formée par un réseau fractal de particules de 50nm de diamètre. Ces dernières sont elles mêmes formées par un réseau fractal de parti-cules (élémentaires cette fois ci) de 5nm de diamètre Fig. 2.16(a).

Fig.^{2.16 –} Structure des nanocomposites silicone élaborés. Échelles de taille des nanoparticules de silice fumée, des agglomérats de nanoparticules de silice et des particule élémentaires (a). Dis-tribution homogène des agglomérats dans la matrice PDMS (b) pour un faible taux de charge. Formation d’agrégats et agglomération des nanocharges autour des microparticules de silice fumée pour un taux de charge élevé (c). Image TEM des nanoparticules de silice utilisées (Nanostructured and Amorphous Materials Inc. http ://www.nanoamor.com) (d).