E FFET D ’ AGENTS EPAISSISSANTS

Un autre facteur physico-chimique important dans le procédé de filage des nanotubes de carbone est la viscosité des solutions mises en jeu : celle de la dispersion et celle de la solution polymère. Il est possible d’augmenter la viscosité de la dispersion à injecter ou de la solution coagulante par ajout d’un agent épaississant. Le résultat recherché en jouant sur la viscosité est une meilleure stabilisation du jet de dispersion dans le co-écoulement lorsque la fibre n’est pas encore solidifiée. On peut ainsi espérer accélérer la solidification de la fibre, éviter les instabilités, produire des effets de localisation d’écoulement [12] et augmenter les propriétés mécaniques de la fibre.

La gomme Xanthane (figure II-19) est un hétéropolysaccharide aux propriétés rhéologiques exceptionnelles. En effet, il possède un fort pouvoir épaississant permettant l’obtention de solutions à haute viscosité. Ici, cet agent viscosifiant est utilisé pour augmenter la viscosité des dispersions de nanotubes de carbone afin d’étudier l’influence de la viscosité sur le co-écoulement et sur la cinétique de solidification de la fibre.

Conditions expérimentales

Les nanotubes de carbone sont dispersés dans l’eau à l’aide de SDS et de gomme Xanthane par le biais d’une sonde à ultrasons pendant 90 min à une puissance de 40W. Deux dispersions sont préparées :

- Une dispersion contenant 0,3wt% de nanotubes, 1wt% de SDS et 0,2wt% de Xanthane

- Une dispersion contenant 0,3wt% de nanotubes, 0,5wt% de SDS et 0,5wt% de Xanthane

Le Xanthane aidant à la dispersion des nanotubes de carbone, on peut diminuer la quantité de tensioactif utilisée. Les dispersions obtenues sont injectées dans le co-écoulement d’une solution de PVA de masse moléculaire Mw=195 kg.mol^-1.

Résultats

Le tableau II-5 indique les viscosités des dispersions utilisées en fonction de leur composition.

Tableau II-5 : Viscosité des dispersions injectées dans le co-écoulement de la solution de PVA.

La solution de polymère coagulant a une viscosité de 125.10^-3 Pa.s.

La figure II-20 rapporte l’évolution de la longueur d’un fragment de fibre juste après sa rupture dans la constriction en fonction du temps de résidence de la fibre dans le polymère coagulant et cela pour trois dispersions de viscosité différente.

Dispersions Viscosité [10^-3 Pa.s] 0,3wt% CNT – 1wt% SDS 1,7

0,3wt% CNT – 1wt% SDS – 0,2wt% Xanthane 2,3

Figure II-20 : Evolution de la longueur moyenne d’un fragment de fibre juste après sa rupture dans la constriction en fonction du temps de résidence de la fibre dans le polymère coagulant.

Discussion

On observe que pour les fibres contenant du Xanthane, la longueur des fragments obtenus après rupture dans la constriction évolue très peu. Dans le cas de la dispersion initiale contenant 0,5% de Xanthane, à des temps de résidence courts, cette longueur est de 0,5cm et pour des temps plus longs, elle n’est que de 0,8cm. Ainsi, après 110s, ces fibres ne sont toujours pas suffisamment solidifiées pour passer à travers la réduction de diamètre sans se fragmenter.

L’ajout de la gomme Xanthane aux dispersions modifie donc fortement la cinétique de solidification de la fibre puisque sans elle, le temps de résidence minimum est de 30s. Cela ne vient sans doute pas de l’augmentation de viscosité mais plutôt des molécules de Xanthane qui gênent stériquement l’adsorption des chaînes de PVA. Celles-ci ne peuvent plus accéder aux nanotubes de carbone pour les ponter efficacement et ainsi assurer la solidification rapide des fibres.

Influence du Xanthane sur les fibres sèches

Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés mécaniques des fibres sèches. Ces fibres sont obtenues à partir d’une dispersion initiale contenant :

- 0,3wt% de nanotubes de carbone monoparoi, 1wt% de SDS et 0,2wt% de Xanthane

Et d’une autre dispersion contenant :

- 0,3wt% de nanotubes de carbone monoparoi, 0,5wt% de SDS et 0,2wt% de Xanthane

Le bain de coagulation est une solution de PVA à 5wt% de masse moléculaire Mw=195kg.mol^-1.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 100 200 300 400 500 C o n tr a in te [ M P a ] Allongement [%] 1wt% SDS - 0wt% Xanthane 1wt% SDS - 0,2wt% Xanthane 0,5wt% SDS - 0,5wt% Xanthane

Les courbes contraintes allongement obtenues sont représentées sur la figure II-21

Figure II-21 : Courbes de traction de fibres de nanotube obtenues à partir d’une dispersion de nanotubes de carbone contenant différentes concentrations en SDS et en Xanthane. La fraction massique en nanotube de carbone dans la dispersion est toujours de 0,3wt%.

Ces données sont résumées dans le tableau II-6 :

Tableau II-6 Propriétés mécaniques de fibres de nanotubes déduites des courbes de traction de la figure II-21, en fonction de la composition de la dispersion initiale. .

Il apparaît que le fait d’introduire du Xanthane dans la fibre permet de modifier ses propriétés mécaniques. En effet, à la fois la contrainte à la rupture et l’allongement à la rupture sont considérablement augmentés alors que nous avons vu au paragraphe précédent que le Xanthane ralentissait la solidification de la fibre. Cela peut s’expliquer par un effet plastifiant du Xanthane qui conduit également à une baisse du module.

Dispersion initiale ^{Module d’Young} [GPa] Contrainte à la rupture [MPa] Allongement [%] Energie de rupture [J.g^-1] 0,3wt% SWNT 1wt% SDS ^{10 330 193 267} 0,3wt% SWNT 1wt% SDS 0,2wt% Xanthane 4 420 365 484 0,3wt% SWNT 0,5wt% SDS 0,5wt% Xanthane 4,4 490 294 422