Etude du renfort mécanique par les nanotubes de carbone

Analyse mécanique dynamique en température

Les figures suivantes représentent l’évolution des modules de conservation G’, de perte G’’ et de tan (δ) en fonction de la température pour des films composites SBM/MWNT. Les mesures sont effectuées de manière identique pour chaque essai, c'est-à-dire à la fréquence de 10 Hz avec une vitesse de montée de 2°C par minute.

• Films composites à 5_wt% de MWNTs à partir de dispersions dans le chloroforme et le dichlorométhane

Nous distinguons deux pics sur les figures III-43 et III-44 sur la courbe de tan (δ) : le pic A) marquant la transition vitreuse du bloc PB et le pic B) représentant celle du bloc PMMA. Dans ces figures, nous ne distinguons jamais le bloc PS, dont la transition vitreuse devrait être visible autour de 90°C. Elle est probablement masqu ée par celle du PMMA.

L’ajout de nanotubes de carbone au SBM ne modifie pas les transitions vitreuses des blocs. Par contre, ils rigidifient légèrement le film ce qui augmente le module de conservation G’ de 600 MPa à 650 MPa dans le cas des films issus de dispersions dans le chloroforme.

Figure III-43 : Mesures en analyse dynamique mécanique en température en cisaillement sur un film composite contenant 5wt% de MWNT et issu d’une dispersion SBM-MWNT dans le chloroforme. Le pic

A) en tan (δ) représente la transition vitreuse du bloc PB et le pic B) celle du PMMA.

De même dans le dichlorométhane, les transitions vitreuses des blocs ne sont pas non plus modifiées lors de l’ajout des nanotubes de carbone. Ils rigidifient également le film en augmentant le module de conservation G’ de 510 MPa à 670 MPa.

Figure III-44 : Mesures en analyse dynamique mécanique en température en cisaillement sur un film composite contenant 5wt% de MWNT et issu d’une dispersion SBM-MWNT dans le dichlorométhane. Le

pic A) en tan (δ) représente la transition vitreuse du bloc PB et le pic B) celle du PMMA.

G’ G’’ tan (δ) G’ G’’ tan (δ)

• Films SBM à partir de dispersions dans le mélange acétone/cyclohexane 50/50

Figure III-45 : Mesures en analyse dynamique mécanique en température en cisaillement sur un film composite contenant 2wt% de SBM et issu d’une solution SBM dans le mélange acétone/cyclohexane

50/50. Le pic B) en tan (δ) représente la transition vitreuse du bloc PMMA et le pic C) celle du PS.

De même, dans ce cas de figure, nous n’observons pas de décalage de T_g, mais une forte augmentation du module de conservation avec l’incorporation des nanotubes de carbone (de 450 à 750 MPa). Par contre, en cohérence avec les spectres SAXS et les clichés TEM, on constate que l’allure des courbes des modules de conservation, de perte et de tan (δ) est particulière dans ces composites (figure III-45). En effet, au niveau du pic du PMMA, le pic C) est apparu. En ajoutant 5_wt% de nanotubes de carbone, cette structuration particulière semble plus atténuée. Les nanotubes de carbone engendrent donc une modification de structure, comme observé en SAXS.

Les analyses dynamiques mécaniques ne révèlent donc pas de décalage des T_g des blocs avec l’introduction des nanotubes de carbone dans les films. Nous observons une augmentation du module de conservation G’ avec l’incorporation des nanotubes de carbone et ce pour chaque solvant employé. La différence d’allure des courbes pour les films issus de dispersion dans le mélange acétone/cyclohexane confirme la particularité de la morphologie de ce système, déjà observée en TEM et en SAXS.

Brosse et al., dans leur étude du SBM, n’observent pas non plus de décalage des transitions vitreuses avec l’augmentation de la concentration en nanotubes de carbone. Les transitions vitreuses sont donc peu affectées par la présence des nanotubes de carbone.

tan (δ) G’

Essais de traction

Des essais de traction à température ambiante sont réalisés afin de déterminer les propriétés mécaniques des films avec et sans nanotubes. Nous cherchons à voir si la nature du solvant utilisé a un rôle sur ces propriétés.

• Films formés à partir de dispersions dans le chloroforme

Les courbes de traction présentées à la figure III-46 sont celles de films de SBM sans nanotubes de carbone et de films composites SBM/MWNT. Les films SBM/SWNT ne sont pas testés ici car les dispersions SBM/SWNT dans le chloroforme ne sont pas stables.

0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 c o n tr a in te ( M Pa ) allongement (%) SBM 5 wt% MWNT + SBM

Figure III-46 : Courbe contrainte en fonction de l’allongement de films de nanotubes de carbone dans une matrice SBM issus de dispersion dans le CHCl3

Table III-10 : Données caractéristiques des propriétés mécaniques des films SBM contenant ou non des nanotubes de carbone issus de dispersion dans le chloroforme

La comparaison des modules d’Young et des contraintes à la rupture nous indique que les nanotubes de carbone apportent un renfort mécanique qui double le module d’Young et

augmente la contrainte à la rupture. Par contre, ils diminuent légèrement le seuil de rupture. Les MWNTs apportent donc de la rigidité au SBM mais le rendent également moins ductile.

• Films formés à partir de dispersions dans le dichlorométhane

Les courbes de traction présentées à la figure III-47 sont celles de films de SBM sans nanotubes de carbone et de films composites SBM/NTC. Les deux types de nanotubes de carbone sont comparés ici.

0 10 20 30 0 10 20 30 40 50 60 c o n tr a in te ( M Pa ) allongement (%) SBM 5 wt% MWNT + SBM 5 wt% SWNT + SBM

Figure III-47 : Courbe contrainte en fonction de l’allongement de films de nanotubes de carbone dans une matrice SBM issus de dispersion dans le DCM

Table III-11 : Récapitulatif des données caractéristiques des propriétés mécaniques des films SBM contenant ou non des nanotubes de carbone issus de dispersion dans le dichlorométhane.

La comparaison des trois films nous montre que le module d’Young du film SBM est augmenté par l’apport des nanotubes de carbone. Il est plus que doublé avec l’ajout des MWNTs et plus que triplé par celui des SWNTs. La contrainte à la rupture suit la même tendance que le module d’Young et est donc plus élevée avec les SWNTs. Enfin, pour un seuil de rupture comparable entre le film de SBM et celui contenant des MWNTs, nous observons une chute du seuil de rupture lors de l’incorporation des SWNTs. Ainsi, les

nanotubes de carbone ont également un fort effet dans le cas de composites issus de dispersions dans le dichlorométhane, et celui des SWNTs est plus important que les MWNTs.

• Films formés à partir de dispersions dans le mélange acétone/cyclohexane 50/50 Les courbes de traction présentées à la figure III-48 sont celles de films de SBM sans nanotubes de carbone et de films composites SBM/NTC. Les deux types de nanotubes de carbone MWNT et SWNT sont comparés ici.

0 10 20 30 0 10 20 30 40 50 c o n tr a in te ( M Pa ) allongement (%) 5 wt% MWNT + SBM 5 wt% SWNT + SBM SBM

Figure III-48 : Courbe contrainte en fonction de l’allongement de films de nanotubes de carbone dans une matrice SBM issus de dispersion dans le mélange acétone/cyclohexane 50/50

Table III-12 : Récapitulatif des données caractéristiques des propriétés mécaniques des films SBM contenant ou non des nanotubes de carbone issus de dispersion dans le mélange

acétone/cyclohexane 50/50.

Les propriétés mécaniques des films SBM issus de dispersions dans le mélange acétone/cyclohexane 50/50 sont très médiocres. L’ajout de nanotubes de carbone, et particulièrement des SWNTs, les améliorent de façon très significative. En effet, le module d’Young ainsi que la contrainte à la rupture sont triplés lors de l’ajout de 5_wt% de SWNTs et même multipliés par 10 lors de l’ajout des SWNTs. Contrairement aux composites issus de

dispersions dans le chloroforme et le dichlorométhane, le seuil de rupture est également amélioré avec l’ajout des nanotubes de carbone.