Propriétés électriques

L’influence de la nature des talcs sur les propriétés électriques des composites a été étudiée. Les deux charges employées sont le talc naturel TN2-PPy et le talc synthétique TS220H-PPy qui sont fonctionnalisées avec du polypyrrole. Elles ont été sélectionnées car les composites chargés avec ces deux charges présentent les meilleures dispersions. Afin de déterminer le seuil de percolation de ces charges dans le PEBD, des composites à différents taux de charge sont préparés et étudiés.

Le comportement en fréquence de la conductivité réelle σ’(ω) des composites chargés avec TN2-PPy est représenté sur la figure IV.6. Les spectres sont obtenus à 25 °C dans une gamme de fréquence allant de 10‐1 à 106 Hz. L’amplitude de la tension alternative appliquée est de 1V.

10

10

10

10

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10

10

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10

10

10

10

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10

10

10

40%

16%

10%

8%

7%

6%

5%

2%

0%

' (S

.m

)

Fréquence (Hz)

Figure IV.6 : Evolution en fréquence de la conductivité réelle ζ’ pour des fractions volumiques croissantes en talc naturel modifié TN2-PPy

Le PEBD et les composites chargés à moins de 10 % en volume présentent une conductivité évoluant avec la fréquence selon une loi de puissance. Ce comportement est caractéristique de la polarisation d’un matériau isolant. Tous les composites réalisés au‐delà de 10 % en volume présentent un régime de conduction indépendant de la fréquence dans la gamme explorée. Ce type de comportement est caractéristique d’un composite conducteur. Ce saut de conductivité électrique significatif pour une certaine concentration critique en charge

Chapitre IV : Composites polyéthylène/talcs modifiés

147

conductrice est appelée seuil de percolation. Les composites polymères préparés par mélange d’une phase conductrice et d’une phase non conductrice présentent ce type de comportement, ce qui est en accord avec les résultats décrits dans la littérature.

Afin de déterminer précisément ce seuil de percolation, la valeur de la conductivité dynamique prise à 10-1 Hz est considérée comme la conductivité de courant continu σdc. Elle

est reportée en fonction de la fraction volumique de charge sur la figure IV.7.

0 10 20 30 40 10-15 10-13 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 dc

(

S.m

)

Fraction volumique de charge (%)

Figure IV.7 : Seuil de percolation électrique de ζdc pour les composites PE/TN2-PPy

Le seuil de percolation électrique pc associé aux composites PE/TN2-PPy est de l’ordre de

10,1 % en volume. En se plaçant au-dessus du seuil de percolation, la conductivité obéit à une loi de puissance σdc = σo(p-pc)t conformément à la théorie de la percolation. La figure IV.8

Chapitre IV : Composites polyéthylène/talcs modifiés 148 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 -3 -2 -1 0 1 2

_{pc = 10,1}

Figure IV.8 : Comportement critique de la conductivité ζdc

La pente de la droite en cordonnées logarithmiques représente la valeur de l’exposant critique, t = 2,57 ± 0,92. Dans le cadre de la loi de percolation, le modèle définit des valeurs de t en relation directe avec la dimensionnalité du système. Dans le cas d’un réseau 3D, t doit être compris entre 1,6 et 2. La valeur mesurée est supérieure à la valeur caractéristique d’un réseau 3D. Cet écart peut être expliqué par un phénomène de conduction par effet tunnel. σo =

2,0.10-1 S.m‐1 représente une extrapolation de la conductivité pour 100 % de TN2-PPy. Cette valeur reste inférieure à la conductivité des charges pressées, 9,8.101 S.m‐1 (Chap III-3.2.5). Cependant, l’obtention d’une valeur proche confirme la conservation du caractère conducteur des charges lors du procédé d’élaboration.

Une étude similaire des propriétés électriques a été effectuée sur les composites chargés avec le talc synthétique modifié TS220H-PPy. Afin de déterminer précisément le seuil de percolation, la valeur de la conductivité de courant continu σdc (conductivité dynamique prise

à 10-1 Hz) est reportée en fonction de la fraction volumique de charge. Ces résultats sont présentés sur la figure IV.9.

Chapitre IV : Composites polyéthylène/talcs modifiés

149

Figure IV.9 : Seuil de percolation électrique de ζdc pour les composites PE/TS220H-PPy (a)

et comportement critique de la conductivité ζdc (b)

Le seuil de percolation électrique pc associé aux composites PE/TS220H-PPy est de

l’ordre de 13,6 % en volume. En se plaçant au-dessus du seuil de percolation, la conductivité obéit à une loi de puissance σdc = σo(p-pc)t conformément à la théorie de la percolation. La

pente de la droite en cordonnées logarithmiques représente la valeur de l’exposant critique, t = 0,32 ± 0,14. Dans le cadre de la loi de percolation, le modèle définit des valeurs de t en relation directe avec la dimensionnalité du système : entre 1,1 et 1,3 pour un réseau 2D et entre 1,6 et 2 dans le cas d’un réseau 3D. La valeur mesurée est très inférieure à la valeur caractéristique d’un réseau 2D ou 3D. Cet écart peut être expliqué par le manque de valeur proche du seuil de percolation qui rend la régression linéaire de σdc peu précise. σo= 8,3.10-1

S.m‐1 représente une extrapolation de la conductivité pour 100 % de TS220H-PPy. Cette valeur reste inférieure à la conductivité des charges pressées, 8,4.101 S.m‐1 (Chap III-3.2.5), mais cependant très proche de la valeur obtenu pour TN1-PPy, 2,0.10-1 S.m‐1. L’obtention d’une valeur proche confirme la conservation du caractère conducteur des charges lors du procédé d’élaboration.

En conclusion, les résultats nous montrent que le talc naturel possède un seuil de percolation de 10,1 % en volume, contre 13,6 % pour le talc synthétique. Ce qui correspond à

Chapitre IV : Composites polyéthylène/talcs modifiés

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respectivement 20% et 25 % en masse de charge dans le composite. Les hybrides TN2-PPy et TS220H-PPy sont composées respectivement de 15% et 19 % de polypyrrole en masse. Mais seulement le polypyrrole apporte les propriétés de conductivité électrique. Il est alors intéressant de calculer le taux de polypyrrole au seuil de percolation. Le seuil de percolation est ainsi atteint pour un taux de 3,0 % en masse de polypyrrole pour le talc naturel modifié et pour un taux de 4,8 % pour le talc synthétique modifié. D’après la littérature, le seuil de percolation du polypyrrole seul dans une matrice polymère est d’environ 10 % en masse [33, 79-80]. L’utilisation de talc comme support du polypyrrole permet de diminuer considérablement le seuil de percolation.

De plus, la valeur de conductivité des composites au-dessus du seuil de percolation est de l’ordre de quelques S.m-1

quelle que soit la nature des talcs utilisés. Ce qui peut s’expliquer par le fait que la conductivité électrique est apportée par le polypyrrole, qui est synthétisé de la même façon quel que soit le talc utilisé. La nature des talcs n’a donc pas ou très peu d’influence sur les propriétés électriques des composites.