2. Matériaux hybrides à base de Polycarbonate

Le polycarbonate (PC) étant un thermoplastique d’usage courant, il a également été utilisé comme matrice organique de matériaux hybrides. Il a, par exemple, été associé à des

nanoparticules d’oxyde de zinc afin d’améliorer sa résistance à l’usure²⁴. Ce matériau

hybride a été préparé en mélangeant des charges de ZnO de 53 nm de diamètre avec un PC

de masse molaire 22000 g.mol^-1. Le mélange a ensuite été injecté et moulé à 280 °C. Les

mesures DSC et TGA montrent une diminution de la Tg du PC de 144 à 134 °C et de sa température de décomposition de 545 à 510 °C lorsque 5% en masse de ZnO sont

introduites. Ainsi, comme cela a été précédemment décrit avec le PMMA¹², l’ajout de

charges non fonctionnalisées entraîne la formation d’un milieu hétérogène, ce qui se traduit par une diminution de certaines propriétés telle que la stabilité thermique. Par contre, l’introduction de seulement 0,5% de nanoparticules ne modifie pas l’élongation à rupture du

PC mais augmente sa dureté, de 81,5 à 85,1 Shore D. Ainsi, l’usure du matériau hybride est plus faible après un test d’abrasion que celle du PC pur.

Wang et al²⁵ ont également élaboré par extrusion, un matériau hybride à base de PC

contenant 1% en masse de nanoparticules de carbonate de calcium (CaCO3) d’une taille

comprise entre 100 et 250 nm. Le matériau hybride montre un module élastique supérieur d’environ 10 %, mais une diminution drastique de l’élongation à rupture.

Hakimelahi et al²⁶ ont étudié la dispersion de nanofibres d’aluminium de 1-2 nm de

diamètre et 2800 nm de long dans une matrice de PC à base de bisphénol A synthétisée en présence des nanocharges. Les matériaux de différentes compositions ont ensuite été analysés en DMA (Figure 107).

Figure 107 : Modules de conservation et Tan δ en fonction de la température du PC contenant () 0 %, () 1 %, (…) 1.6 %, () 2.3 % d’Al2O3 et (—) 2 % d’Al2O3 mélangé à un PC déjà synthétisé

Le module de conservation à température ambiante augmente de 1930 à 2555 MPa avec l’augmentation de la proportion de nanocharges introduite de 0 à 2,3% pour le PC synthétisé en présence des nanofibres (RT). Simultanément, la Tα et l’intensité du pic de tanδ diminuent et un épaulement correspondant à la présence de PC de faible masse molaire apparait à 120 °C. A l’inverse lorsque les 2% de nanofibres sont mélangées à un PC préalablement synthétisé, peu de différences sont observées avec le PC sans charge. D’autres analyses mécaniques ont montré une augmentation du module de Young et de la résistance à la rupture. Néanmoins, l’ajout de charges d’une longueur supérieure à 2 µm entraîne une diminution de la transparence du matériau. De même, au-delà de 0,5 wt% de charges, les valeurs en transmission à 450 nm sont inférieures à 80% du fait de l’agglomération des charges.

L’effet de l’introduction de nanoparticules de silice sur la résistance à la rayure du PC

a également été étudié par Wang et al²⁷. Pour cela, un mélange PC-SiO2 contenant 20% en

masse de silice (diamètre = 20 nm) a été déposé en surface du PC. Par une méthode de procédé sol-gel, des liaisons covalentes sont créées entre le polymère et les charges. Une analyse de la profondeur rayure en fonction de la force appliquée a été réalisée (Figure 108).

Figure 108 : Profondeur de rayure en fonction de la charge appliquée à la surface d’un PC modifié (●) ou non(○) par un revêtement hybride PC/SiO2.

La profondeur de rayure est moins importante lorsque le PC est préalablement

modifié avec un revêtement PC-SiO2 plutôt qu’un simple film de PC, et cela quelle que soit

son épaisseur. De plus, ce revêtement induit une augmentation de la dureté, du module élastique ainsi que de la capacité de recouvrement de la rayure.

L’ensemble de ces résultats obtenus sur le PC montrent que la méthode utilisée pour disperser les charges au sein de la matrice polymère a une importance cruciale sur l’amélioration des propriétés. La difficulté identifiée ici réside à conserver la transparence du PC tout en améliorant sa résistance à la rayure. En effet, l’insertion de nanocharges non fonctionnalisées dans les matrices PC est limitée en raison de la perte des propriétés optiques. Une des solutions consiste à réaliser des dépôts en fine couche d’un matériau hybride en surface. De plus, si aucune liaison forte n’existe entre les charges et la matrice hôte, une dégradation des propriétés mécanique, thermique ou optique du matériau, à de faible pourcentage de nanocharges ajoutées est observée, et ce quelle que soit leur nature. A l’inverse une nette amélioration des propriétés est obtenue lors de la formation d’hybride de classe II, comme cela a également été observé avec le PMMA.

Ainsi, cette courte étude bibliographique montre qu’il est possible de renforcer la résistance à la rayure d’un matériau polymère en y introduisant des nanoparticules. Pour cela, il est nécessaire de fonctionnaliser les nanoparticules afin de les disperser correctement et de créer des liaisons fortes avec la matrice hôte.

Dans le cadre de ce travail, une première étude a donc été réalisée sur le PMMA comme matrice organique. Parmi le grand nombre de charges couramment utilisées pour renforcer une matrice polymère, des nanoparticules de silice ont été retenues. En effet, elles

sont disponibles commercialement dans une large gamme de tailles pour un prix généralement faible. Dans un premier temps, elles ont été fonctionnalisées avec des fonctions polymérisables afin de créer des liaisons covalentes avec le réseau de PMMA. Ces nanoparticules joueront ainsi également le rôle de réticulant du PMMA. Ensuite la synthèse de RIPs PCR39®/PMMA hybrides sera réalisée. Au vu des difficultés rencontrées dans la littérature pour réaliser la dispersion de charges dans une matrice de PC, le réseau de PCR39® sera enchevêtré dans un réseau de PMMA contenant la silice pour espérer obtenir un RIP composite homogène. Les propriétés mécaniques, thermiques et de surface de ces matériaux seront ensuite étudiées.