Mise en œuvre des nanocomposites

Dans ce travail, deux stratégies de préparation des nanocomposites ont été adoptées. Pour le parcours ‘A’ (figure 2.8), les nanocomposites XNBR/OGe et XNBR/GCR ont été préparés selon la méthode de co-coagulation latex modifiée appelée encore « Méthode du Mélange Maître » (Zhan et al., 2011) afin d’améliorer la dispersion des nanoparticules dans la matrice élastomère. Tandis que les composites XNBR/GTR ont été réalisés (parcours ‘B’) selon la méthode du mélangeage à l’état fondu.

Figure 2.8. Processus de préparation des nanocomposites XNBR/OGe

Pour les nanocomposites XNBR/OGe l’incorporation des nanoparticules dans la matrice élastomère est effectuée en deux étapes. Dans un premier temps, la solution aqueuse

Parco

O Ge

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susmentionnée d’OGe (1mg/ml), couramment appelée «slurry», est ajoutée graduellement au XNBR latex pur de haute viscosité (20phr) et est homogénéisée, à la température ambiante, par agitation magnétique. Après 4h, le mélange homogène est coagulé en ajoutant goutte à goutte une solution aqueuse du chlorure de calcium CaCl2 (5wt%) sous agitation continue. Le coagulum est récupéré par filtration puis lavé à l’eau distillée jusqu’ à ce que le résidu devienne neutre et est séché par la suite sous vide dans une étuve à T=50ºC pour obtenir une substance pâteuse connue par “XNBR-OGe masterbatch”. Dans un deuxième temps, la préparation des nanocomposites XNBR/OGe est achevée en utilisant un mélangeur à deux cylindres à la température ambiante avec un rapport de friction 1:1,2 et un écart de 1mm (figure 2.9). La formule de vulcanisation est donnée par le Tableau 2.3. Tout d’abord, l’acide stéarique, l’oxyde de zinc, l’agent antioxydant et l’accélérateur, viennent s’ajouter progressivement au XNBR synthétique après sa mastication. Ensuite, le “XNBR-OGe masterbatch” et le soufre sont ajoutés. Le temps de mélangeage est toujours maintenu constant environ 16min pour chaque échantillon. Finalement, le caoutchouc cru est moulé par compression à une température de 160°C et sous une pression de 20 MPa durant le temps de vulcanisation T90 déterminé suite à un test rhéologique.

Figure 2.9. Mélangeur a deux cylindres

Par ailleurs, pour l’élaboration des nanocomposites XNBR/GCR (figure 2.10) on a adopté la méthode du mélangeage latex modifiée et le processus de la réduction in-situ (Zhan et al., 2011). Dans ce travail, l’OGe est chimiquement réduit en présence du XNBR latex en utilisant une méthode simple et écologique par l’ajout de la vitamine C. En bref, une suspension aqueuse d’OGe (200mg; 0,1mg/ml) est mélangée avec l’élastomère latex durant 1h avant l’ajout de la vitamine C (200mg). Ensuite, la mixture a été chauffée à une température T=95ºC durant 3h

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sous une agitation vigoureuse (Wissert et al., 2010 ; Schopp et al., 2014). Finalement, les nanocomposites XNBR/GCR étaient synthétisés suivant le même protocole que celui des composites XNBR/OGe.

Figure 2.10. Processus de préparation des nanocomposites XNBR/GCR

Tableau 2.3. Formulation des nanocomposites élastomères

Echantillon OGe GCR GTR XNBR Latex XNBR Oxyde zinc Soufre « TMQ » Acide stearique « CBS » phr phr phr phr phr phr phr phr phr phr XNBR pur - - - 20 80 5 1,5 2 1 1,5 0,2 XNBR/ OGe 0,2 - - 20 80 5 1,5 2 1 1,5 0,5 XNBR/ OGe 0,5 - - 20 80 5 1,5 2 1 1,5 1 XNBR/ OGe 1 - - 20 80 5 1,5 2 1 1,5 2 XNBR/ OGe 2 - - 20 80 5 1,5 2 1 1,5 1 XNBR/GCR - 1 - 20 80 5 1,5 2 1 1,5 1 XNBR/GTR - - 1 20 80 5 1,5 2 1 1,5 1 XNBR/GCR-DB - 1 - 20 80 5 1,5 2 1 1,5

Dans la tentative de mettre en exergue l'impact de cette nouvelle méthode d'élaboration, la technique de préparation par voie fondue a été envisagée pour l'incorporation du GCR au sein de la matrice XNBR, le composite élaboré est ainsi désigné par XNBR/GCR-DB. A des

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fins de comparaison, le XNBR net, sans particules d’addition, obtenu à partir du XNBR latex et synthétique est préparé de la même façon et désigné par XNBR pur.

Figure 2.11. XNBR commercial (a) et XNBR latex coagulé et séché (b)

Des études récentes ont prouvé que de l’ajout des feuillets de GTR, couramment appelés des feuilles fonctionnalisés de graphène, dans des matrices polymères résulte des nanocomposites dotés d’excellentes propriétés mécaniques, thermiques et électriques (Ramanathan et al., 2008 ; Kim et al., 2008 ; Kim et al., 2009). A ce propos, une étude comparative a été menée entre les nanofeuillets de graphène réduit par deux voies distinctes : chimique et thermique, au titre de leur efficacité à renforcer la matrice élastomère. Pour ce faire, le GTR est inséré à la matrice XNBR pour former des nanocomposites XNBR/GTR. Contrairement à l’OGe, le GTR n’est stable dans l’eau qu’à l’aide de surfactants. Selon Koning et ses collaborateurs (Koning et al., 2011), des dispersions aqueuses stables de particules à base de carbone pour la préparation des nanocomposites par la méthode de coagulation Latex sont principalement préparées en ajoutant des surfactants, qui demeurent dans les composites. Ces surfactants ont pour conséquence néfaste d’altérer les propriétés mécaniques des échantillons. Par ailleurs, en raison de sa stabilité thermique, la plupart des études mettent en œuvre la préparation des nanocomposites avec le GTR suivant la méthode du mélangeage direct (Kim et al., 2010). Au départ, le GTR est obtenu suite à un chauffage rapide de la poudre de l’OGr à haute température (T=700ºC). Ensuite, la poudre du GTR est incorporée dans l’élastomère XNBR en utilisant un mélangeur à deux cylindres. Pour y parvenir, on fait appel tout d’abord à la mastication mécanique du XNBR commercial (80phr) et celui latex (20phr) coagulé et séché (figure 2.11). Dans une seconde étape, les additifs décrits précédemment notamment l’acide stéarique, l’oxyde de zinc, l’agent antioxydant, l’accélérateur, le graphène thermiquement réduit et le soufre sont incorporés à la matrice (figure 2.12).

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Figure 2.12. Processus de préparation des nanocomposites XNBR/GTR (Parcours B)

Les échantillons seront nomenclaturés comme suit : XNBR/OGe, XNBR/GCR et XNBR/GTR pour les composites élastomères préparés avec l’oxyde de graphène, le graphène chimiquement réduit et le graphène thermiquement réduit, respectivement. Le numéro qui précède les acronymes représente le pourcentage en masse des nanoparticules ajoutées à la matrice.