CHAPITRE 4 : RELATIONS ELABORATION, MORPHOLOGIE ET PROPRIETES MECANIQUES DE
II. 2.2) Paramètres influençant la migration des nanocharges
Comme il a été mentionné dans la synthèse bibliographique, un certain contrôle de l’emplacement des nanocharges au sein d’une matrice composite peut également être atteint avec une bonne maîtrise des conditions d’extrusion des matériaux. L’objectif de la prochaine partie est donc d’en étudier l’effet sur la morphologie des nanocomposites 80 EVA70 5CaCO3NP. Notons que les nanocharges ont été pré-mélangées
avec le glycérol avant d’ajouter l’amidon (PrTPS3) puis les granulés d’EVA70. Le tout a ensuite été extrudé selon les conditions de référence.
EFFET DE LA TEMPERATURE D’EXTRUSION
Deux températures d’extrusion ont été testées : 145 et 160°C. Le temps de séjour et la vitesse de rotation des vis sont fixés à 5 minutes et 100 rpm. La morphologie des nanocomposites résultant est présentée sur la Figure 4-21.
Figure 4-21: Clichés MEB des nanocomposites 80 EVA70 5caCO3NP élaborés à (a) 145°C et (b) 160°C
Sur la gamme de température étudiée, ces clichés ne mettent pas clairement en évidence un effet de la température sur le processus de migration des nanocharges : dans les deux cas, celles-ci sont principalement localisées dans la phase TPS. Toutefois, une augmentation de la taille de la phase dispersée est observée lorsque la température d’extrusion est de 160°C (Figure 4-21c). Rappelons que dans le cas des mélanges extrudés à 160°C, une meilleure répartition des domaines de TPS au sein de la matrice avait été observée sans effet significatif sur leur taille. Une modification des propriétés viscoélastiques du TPS liée à la présence de nanocharges peut être à l’origine de ce comportement différent. En effet, les nanocharges tendent à augmenter la viscosité de la phase dispersée, ce qui diminue sa capacité à se déformer et à se rompre donnant une taille de phase dispersée plus grande comparativement au mélange non chargé.
EFFET DE LA VITESSE DE CISAILLEMENT
Deux effets contradictoires sont reportés dans la littérature concernant la vitesse de cisaillement. Son augmentation peut en effet soit faciliter la migration des nanocharges vers leur phase d’équilibre (Hong et al. 2008) soit la freiner en diminuant son temps de contact avec l’interface (Jalali Dil & Favis 2015a). Pour déterminer le rôle de la vitesse de cisaillement dans notre étude, les nanocomposites ont été élaborés avec des vitesses de rotation des vis fixées à 50, 100 et 150 rpm, leur morphologie est présentée sur la Figure 4-22.
Figure 4-22: Clichés MEB des nanocomposites 80 EVA70 5CaCO3NP extrudés à (a) 50 rpm, (b) 100 rpm et (c) 150 rpm
Il apparaît difficile à la simple observation de ces clichés de quantifier le taux de nanocharges dans la phase dispersée selon la vitesse de cisaillement, celle-ci ne semble donc pas être un paramètre pré-dominant dans le processus de migration des nanocharges. Toutefois, ces images montrent une légère diminution de la taille de la phase dispersée pour une vitesse des vis de 150 rpm (Figure 4-22c). Des résultats similaires avaient été obtenus lors de l’étude sur les mélanges PO/TPS sans nanocharge pour lesquels l’augmentation du taux de cisaillement permettait une meilleure rupture ainsi qu’une meilleure dispersion de la phase minoritaire (Chapitre 3).
EFFET DU TEMPS DE SEJOUR
Le dernier paramètre important à fixer lors de l’extrusion de matériaux est le temps de séjour dans l’extrudeuse. Son augmentation pourrait permettre aux nanocharges d’atteindre leur état d’équilibre et migrer ainsi vers la phase avec laquelle elles ont le plus d’affinité, c’est-à-dire la phase EVA70. Ici, le temps de séjour a été fixé à 3, 5 et 7 minutes, la vitesse de cisaillement à 100 rpm et la température à 145°C. La morphologie des trois nanocomposites résultant est présentée sur la Figure 4-23.
Figure 4-23: Clichés MEB des nanocomposites extrudés pendant (a) 3 min (b) 5 min et (c) 7 min
Les clichés montrent peu de différences entre eux, tant au niveau de la localisation des nanocharges qu’au niveau de la taille de la phase dispersée. Dans la gamme testée, le temps de séjour n’est donc pas un paramètre prédominant quant à la morphologie des mélanges obtenus.
Ainsi, dans la fenêtre de processabilité de cette étude, les conditions d’extrusion n’ont pas d’effet majeur sur le phénomène de migration des nanocharges, dans chaque cas celles-ci sont majoritairement dans la phase TPS, soit dans une configuration hors-équilibre. L’effet de la viscosité est souvent décrit comme un facteur cinétique pouvant freiner ou au contraire faciliter la migration des nanocharges vers leur phase d’équilibre. Notons également que selon Feng et al. le polymère le moins visqueux peut avoir tendance à encapsuler les nanocharges (Feng et al. 2003), mettant ainsi en exergue le rôle de la viscosité.
II.2.2) Effet de la viscosité
Pour mettre en évidence l’effet de la viscosité de la matrice, une autre polyoléfine, l’EVA68, contenant le même taux de groupements acétates que l’EVA70 mais possédant une viscosité plus faible (de l’ordre de celle du TPS) a été utilisée. À noter que le nanocomposite, noté 80 EVA68 5CaCO3NP, a été élaboré en pré-
dispersant les nanocharges dans le glycérol dans des proportions PO/TPS (80/20) et selon les conditions d’extrusion de référence (100rpm, 5min, 145°C).
La morphologie des nanocomposites 80 EVA70 5CaCO3NP et 80 EVA68 5CaCO3NP est présentée sur la Figure
4-24.
Figure 4-24: Clichés MEB des nanocomposites (a) 80 EVA70 5CaCO3NP et (b) 80 EVA68 5CaCO3NP
Ces clichés MEB montrent un nombre plus important de CaCO3NP dans la phase EVA68 en comparaison
avec le nanocomposite élaboré avec l’EVA70 (Figure 4-24a). De plus, les nanoparticules dans la phase amylacée se situent principalement en périphérie de celle-ci, indiquant un processus de migration plus avancé. Ainsi, l’utilisation d’une polyoléfine de plus faible viscosité facilite la migration des nanocharges vers la phase d’équilibre. Toutefois, cela ne semble pas avoir d’impact sur la taille de la phase dispersée.
Ainsi, pour résumer, cette étude a montré les éléments suivants:
o les nanocharges entament un processus de migration lors de la mise en œuvre ;
o les nanocharges sont préférentiellement localisée dans la phase TPS en dépit parfois d’une meilleure affinité avec la phase PO, ce qui pourrait indiquer un attrait particulier pour la phase de plus faible viscosité ;
o l’utilisation d’une polyoléfine de plus faible viscosité facilite la migration des nanocharges vers leur phase d’équilibre ;
o la taille de la phase dispersée augmente avec la température d’extrusion, alors qu’un effet inverse avait été observé dans le cas d’un mélange non chargé. Ceci met en évidence une modification du comportement viscoélastique du TPS lié à l’ajout de nanocharges.