Procédé expérimental

Afin d’étudier l’évolution de la microstructure des échantillons le long du profil de vis, nous avons tout d’abord défini plusieurs zones « stratégiques », correspondant aux différentes zones de mélanges (Figure 4.17). Ces zones correspondent aussi aux endroits où la vis est remplie. Six zones sont ainsi définies, désignées par les lettres A, B, C, D, E et F. La zone A correspond à la première zone de mélange entre le polymère et l’argile et F correspond à la filière. A noter qu’il était parfois difficile de prélever assez de matière dans la filière et les différentes caractérisations n’ont pas toujours pu être exécutées pour cette zone-là.

Figure 4.17 : Zones de prélèvement des échantillons le long de la vis

Les conditions de préparation restent similaires, avec un débit de granulés polymères (PP+PP-g-MA) fixé à Qmatrice = 2,47 kg/h, un débit d’argile fixé à Qargile = 0,13 kg/h, la température de régulation réglée

à 180°C et une vitesse de rotation variant de N = 100 tr/min à N = 900 tr/min (la vitesse de 1100 tr/min n’apportant pas d’amélioration sur l’état de dispersion, nous ne l’avons pas utilisée dans cette section).

Pour prélever les échantillons, nous avons attendu que les conditions soient stabilisées, puis nous avons arrêté l’extrudeuse subitement. Nous avons ensuite ouvert le fourreau et prélevé la matière encore fondue directement sur les vis. Une fois refroidie, nous avons pu découper la matière en petits morceaux, pour en faire des pastilles d’analyse à l’aide de la presse, comme précédemment.

4.3.2 Observations microscopiques

Les échantillons ont tout d’abord été observés au MEB. Les images obtenues sont présentées sur les Figures 4.18 à 4.21. On observe globalement les mêmes tendances à chaque vitesse de rotation. Pour les zones A, B et C, on voit qu’il reste encore quelques gros agglomérats. On note également dès les premières zones de malaxage une différence de microstructure en fonction de la vitesse de rotation. En effet, pour les plus fortes vitesses de rotation, le nombre et la taille d’agglomérats sont moins importants. Ensuite, à la zone D, il y a moins d’agglomérats et leur taille est moins importante, quelle que soit la vitesse de rotation. Qualitativement, on n’observe pas de différence notable sur la microstructure entre les zones D et E.

Figure 4.18 : Images MEB obtenues pour les échantillons prélevés le long de la vis pour N = 100 tr/min (Q = 2,6 kg/h, Trégul = 180°C)

Figure 4.19 : Images MEB obtenues pour les échantillons prélevés le long de la vis pour N = 300 tr/min (Q = 2,6 kg/h, Trégul = 180°C)

Figure 4.20 : Images MEB obtenues pour les échantillons prélevés le long de la vis pour N = 600 tr/min (Q = 2,6 kg/h, Trégul = 180°C)

Figure 4.21 : Images MEB obtenues pour les échantillons prélevés le long de la vis pour N = 900 tr/min (Q = 2,6 kg/h, Trégul = 180°C)

Une analyse quantitative de ces images est présentée sur la Figure 4.22, où l’on voit l’évolution du rapport d’aires argile/matrice en fonction de la longueur d’extrusion pour les différentes vitesses de rotation. Pour N = 100 tr/min, on voit que le rapport d’aires présente une valeur relativement élevée dans la zone A (1,8%) qui chute brutalement dans la zone B (0,8%). A partir de la zone D, le rapport d’aires vaut 0,45% et n’évolue quasiment plus jusqu’à la zone E. L’allure des courbes est similaire aux autres vitesses de rotation, avec une chute importante entre la zone A et la zone B, et un état de dispersion final atteint dès la zone C ou D, suivant la vitesse. Cela indique qu’à cette échelle, les gros agglomérats sont cassés très rapidement sur le profil de vis, dès les premières zones de malaxage. Les zones B et C continuent d’éroder les agglomérats restant. Les agrégats atteignent alors une taille trop petite pour être encore dispersés par les zones de malaxage restantes.

Figure 4.22 : Evolution du rapport d’aires argile/matrice des échantillons prélevés le long de la vis pour les différentes vitesses de rotation (Q = 2,6 kg/h et Trégul = 180°C)

Les échantillons ont été observés au MET, les images sont présentées sur les Figures 4.23 et 4.24 à deux échelles différentes. Seuls les nanocomposites préparés à une vitesse de 300 tr/min ont été caractérisés. On observe dès les premières zones une coexistence de tactoïdes et de feuillets individuels. Entre la zone A et la zone C, le nombre de feuillets individuels augmente. A partir de la zone D, on voit qu’une bonne exfoliation est atteinte et l’on commence à distinguer le réseau formé par les feuillets d’argile. Qualitativement, on observe peu d’évolution entre la zone D et la zone E.

Figure 4.23 : Images MET obtenues pour les échantillons prélevés le long de la vis pour N = 300 tr/min,

Figure 4.24 : Images MET obtenues pour les échantillons prélevés le long de la vis pour N = 300 tr/min,

Q = 2,6 kg/h et Trégul = 180°C (échelle 500 nm)

4.3.3 Etat d’intercalation

Les nanocomposites ont été analysés par diffraction des rayons X. Les diffractogrammes obtenus sont présentés sur la Figure 4.25. Pour N = 100 tr/min (Figure 4.25a), on voit que, pour chaque zone de prélèvement, le pic de diffraction de l’argile dans le nanocomposite est déplacé aux plus petits angles par rapport au pic de diffraction de l’argile pure. On observe la même tendance pour les 4 vitesses de rotation.

Figure 4.25 : Diffractogramme des rayons X des échantillons prélevés le long de la vis pour des vitesses de a) N = 100 tr/min, b) N = 300 tr/min, c) N = 600 tr/min et d) N = 900 tr/min

A partir de ces diffractogrammes, la distance basale a été calculée à l’aide de la loi de Bragg (Figure 4.26). Pour les 4 vitesses de rotation, on n’observe pas de tendance particulière, ou d’évolution remarquable de la distance basale le long du profil de vis. Pour toutes les zones, les distances interlamellaires calculées sont comprises entre 3,5 et 4 nm, et sont donc supérieures à celle de l’argile pure, qui est de 3,28 nm. Il semble donc que, quelle que soit la vitesse de rotation utilisée, l’intercalation est atteinte dès la première zone de malaxage. La distance interlamellaire n’évolue alors plus de manière notable jusqu’à la zone E. Lertwimolnun (2006) observe le même phénomène, avec une morphologie intercalée atteinte dès les premières zones d’observation, qui n’évolue plus ensuite, et ce quelle que soit la vitesse de rotation. Ce résultat est différent de celui obtenu par Domenech (2012), qui observait une diminution de la distance basale depuis la première zone de malaxage jusqu’à la sortie de l’extrudeuse, attribuant cela à une dégradation du tensioactif. Barbas et al. (2013) observent également une forte dégradation de l’état d’intercalation entre les premières zones de mélange et la sortie de l’extrudeuse, et ce quelle que soit la vitesse de rotation. Les auteurs expliquent qu’une dégradation du tensioactif a lieu, même à faible vitesse de rotation sur les premières zones de malaxage et que cela crée un effondrement des galeries interfoliaires, d’où la régression de l’état d’intercalation.

a) b)

Figure 4.26 : Evolution de la distance interlamellaire le long du profil de vis pour les 4 vitesses de rotation (Trégul = 180°C)