Nanocomposites et applications

Les nanocomposites s’imposent comme une classe de matériaux à part entière et sont à l’origine d’une activité scientifique importante en raison des immenses potentiels d’applications innovantes dans divers domaines technologiques des matériaux. Bien qu’ils aient la même composition que les composites classiques, notamment eu égard à la nature chimique de la matrice et du renfort, les dimensions nanométriques des nanoparticules introduites vont émerger des nouvelles propriétés.

a.Généralité sur les nanocomposites

Les matériaux composites résultent habituellement de l’association d’au moins deux phases non miscibles dont les propriétés se combinent. La première, appelée renfort, assure, d’une part, la tenue mécanique (résistance à la rupture et rigidité) et d’autre part améliore les propriétés physiques (résistance au feu et à l’abrasion) et la tenue en température (conservation des caractéristiques mécaniques à haute température). La deuxième phase ‘‘matrice’’, qui joue le rôle de liant, assure la cohésion du matériau et répartit les efforts. Les propriétés mécaniques des composites matrice/renfort ne dépendent pas seulement des propriétés intrinsèques de chaque constituant élémentaire, mais également du choix de la nature du renfort et de sa géométrie ainsi que de la nature des liaisons entre la charge et la matrice qui contrôlent le mécanisme de transfert de contrainte à l’interface.

Les composites traditionnels utilisent des renforts à l’échelle macroscopique, alors que les nanocomposites font appel à des nanoparticules dont la dimension est inférieure à 100 nm. La diminution de la taille des renforts que l’on insère dans la matrice conduit à une augmentation très importante de la surface des interfaces dans le composite. Précisément c’est

des propriétés singulières des nanocomposites. L’énorme aire interfaciale nanoparticule-matrice permet de modifier les propriétés de la nanoparticule-matrice dans une fraction significative du volume total, sans nécessité d’incorporer un taux de nanorenfort élevé. On ne disperse plus des inclusions très rigides et denses dans une matrice plus molle pour faire un mélange relativement rigide et relativement léger, mais on se sert plutôt de l’interface inclusion-matrice pour modifier les propriétés de la inclusion-matrice et la rendre plus rigide, sans modifier sa densité. En d’autres termes, on a remplacé une matrice à propriétés volumétriques par une matrice à propriétés presque entièrement interfaciales.

Ces effets vont se traduire par une amélioration significative des propriétés mécaniques notamment de la résistance sans compromettre d’une façon significative la ductilité du matériau, puisque la faible taille des particules ne crée pas de larges concentrations de

contraintes ^140,141. Par ailleurs, comme les dimensions des nanoparticules sont inférieures aux

longueurs d’onde de la lumière visible (400-800 nm), les effets de diffusion de la lumière seront faibles ce qui permettrait de conserver ses propriétés optiques de départ ainsi qu’un bon état de surface.

Toutefois le développement des nanocomposites est actuellement handicapé par trois limitations :

 La première concerne la distribution et la répartition homogène des nanoparticules dans

la matrice qui confèrent au matériau ses propriétés spécifiques : en effet si c’est les dimensions nanométriques qui sont à l’origine de l’exaltation des propriétés des nanocomposite, c’est également ce paramètre qui rend difficile la dispersion homogène à l’échelle de la particule élémentaire des nanoparticules au sein de la matrice. La surface spécifique élevée favorise également les effets d’agrégation des nanoparticules, entrainant ainsi une perte des propriétés spécifiques des nanocomposites cités précédemment. De même dans le cas des nanocristaux d’amidon la présence des groupements OH à la surface va favoriser d’avantage les risques d’agrégation par interaction par ponts hydrogène. Ces limitations vont rendre quasi-impossible la préparation des nanocomposite par mélange à l’état fondu.

 Les préoccupations environnementales et de sécurité liées à la taille nanométriques des

particules qui soulèvent de nouveaux soucis pour la santé humaine pourraient générer des nouveaux risques pour la santé en raison de la grande aptitude des nanoparticules à pénétrer dans l’organisme humain. Toutefois, ce problème ne se pose pas dans le cas des

nanoparticules de type polysaccharide (nanocristaux d’amidon, nanocristaux de cellulose) dont les études récentes ont révélé le caractère inoffensif.

 Le coût relativement élevé de la production des nanoparticules lié au mode de synthèse

et de purification pour les amener à être utilisé dans le domaine de l’élaboration des matériaux.

b. Procédés d’élaboration des nanocomposites

Comme les nanoparticules d’amidon se présentent sous forme d’une suspension dans l’eau, la voie la plus facile pour l’élaboration des nanocomposites consiste à mélanger la suspension de NCA avec des polymères sous formes de dispersions aqueuses ou hydrosoluble. Cette approche permet de préserver l’état de dispersion des nanoparticules d’amidon. Adoptant

cette méthodologie, trois approches de préparation des films de nanocomposites ont été

rapportées.

La première voie concerne les polymères hydrosolubles. Dans cette approche, on mélange une solution de polymère avec une suspension de nanocristaux. C’est le cas surtout de matrice de type amidon (maïs cireux, cassava), le pullulane (obtenu par la fermentation de

l'amidon), l'alcool polyvinylique (PVA) et l’hémicellulose ^{121, 123, 124, 141}. La deuxième voie

concerne les systèmes d’émulsion. Dans ce cas, on mélange un latex synthétisé avec une suspension de nanocristaux. Une fois étalée en films, ces dispersions conduisent à un film

homogène après évaporation de l’eau et coalescence des particules ^{121, 123}. Ces deux

procédures permettent, d’une part, de mieux contrôler l’homogénéité du film de nanocomposite, et, d’autre part, d’avoir un degré d’interaction nanoplaquettes/matrice très élevé. Ces études ont révélé que l’incorporation des nanoparticules d’amidon améliore les propriétés mécaniques des nanocomposites. Cet effet a été expliqué d’une part par la taille nanométrique des particules, et d’autre part par la possibilité des NCA d’établir un réseau percolant, à partir d’un seuil critique dont la cohésion est assurée par des liaisons hydrogènes entre les NCA. Toutefois, ces deux procédures présentent de nombreux inconvénients à savoir l’utilisation de grandes quantités de solvant et la durée de séchage élevée ce qui limite l’épaisseur du film.

La troisième voie concerne le polymère non hydrosoluble par mélange en solution ou à l’état fondu. Toutefois, le caractère hydrophile des NCA va empêcher leur dispersion homogène au sein de la matrice. Pour contourner cette limitation une modification de surface

s’impose. Plusieurs stratégies ont été adoptées parmi lesquelles on peut citer le greffage d’isocyanate, ou du chlorure d’acide. Même si ces approches ont contribué à améliorer la dispersion des nanoparticules au sein de la matrice, l’effet de renforcement s’est avéré extrêmement faible. Ce résultat a été expliqué par l’impossibilité des particules d’établir des liaisons hydrogène après la modification, en raison de la présence de chaines alkyles qui vont masquer les groupements OH.