Nanotubes de carbone multi-parois fonctionnalisés avec des groupements carboxyliques (CNTC)
B. Renforcement mécanique de la matrice élastomère polyuréthane par l’ajout de nanoparticules
D’après l’étude bibliographique du chapitre I, nous savons que l’incorporation des nanoparticules conductrices peut potentiellement augmenter la constante diélectrique et en conséquence les performances électromécaniques d’un matériau, mais en même temps elle a pour effet de renforcer mécaniquement la matrice élastomère. Comme nous l'avons vu précédemment, la rigidité est un facteur influant sur l’activité électromécanique des EAPs [Eur1999] [Pel2000] [Gui2003] [Dia2005a] [Dia2005b] : le renforcement mécanique induit une diminution de l’activité électromécanique mais une augmentation de la force d’actionnement.
Pour des échantillons se présentant sous la forme de films minces souples, le renforcement mécanique de la matrice PU par des nanoparticules est évalué par le module de traction sous faible élongation. En mode traction, nous avons mesuré le module d’Young des échantillons d’épaisseur 50 µm en tirant jusqu’à 100% d’élongation avec une vitesse fixe de 24 mm/min, ce qui correspond à une vitesse de déformation sous traction de ~0,02 s-1.
Figure V-5 : Contrainte de traction en fonction de l’élongation des films composites à base de PU88A contenant différentes fractions volumiques de CB, de 0 à 5 %v.
Le comportement sous élongation des films composites élaborés avec les nano-objets CB et CNTC est présenté dans les Fig. V-5 et 6, respectivement. Les composites à base de PU88A ont été davantage renforcés par l’incorporation de CB.
Selon le graphique traçant la contrainte de traction en fonction de l’élongation, nous pouvons déterminer le module d’Young dans le régime linéaire pour une faible élongation, par exemple en dessous de 4%. Les valeurs mesurées sont ici rapportées dans le Tableau V-2.
Figure V-6 : Contrainte de traction en fonction de l’élongation des films composites à base de PU88A contenant différentes fractions volumiques de CNTC, de 0 à 3%v.
Tableau V-2 : Module d’Young des composites PU-CB et PU-CNTC pour différentes fractions volumiques, mesurés sur les films d’épaisseur proche de 50 µm.
Fraction volumique (%v) Module d’Young, Y (MPa)
PU-CB PU-CNTC PU88A 33 33 0,5 38 39 1,0 41 42 1,5 44 44 2,0 49 47
Les nanoparticules sont capables de renforcer mécaniquement les matrices polymères. Ce pouvoir de renforcement dépend effectivement de la structure, de la forme, et de la dureté des particules ajoutées. Pour prédire le renforcement mécanique des particules dans la matrice souple, nous utilisons les équations prédictives de Guth [Gut1945]. Ces équations sont développées pour des matrices ayant un coefficient de Poisson proche de 0,5 dans le cas de liquides ou d’élastomères parfaits, et pour un composite avec des particules dispersées aléatoirement. Guth a proposé de prendre en compte l’effet du facteur de forme des particules
ϕ
qui est le ratio moyen entre la plus grande dimension sur la plus petite dimension des particules :2 2 0 1 0.67 1.62
Y =Y +
ϕ
f +ϕ
f V -4Les valeurs de module d’Young après renforcement avec les nanoparticules de CB et CNTC sont tracées sur la Fig. V-7 en fonction de la fraction volumique, et comparées à celles estimées pour différents facteurs de forme avec l’équation de Guth.
Figure V-7 : Modules d’Young expérimentaux des composites à base de PU88A-CB (-●-) et PU88A-CNTC (-■-) et estimés pour différents facteurs de forme par l’équation de Guth.
Les courbes de la Fig. V-7 représentées en pointillés correspondent aux valeurs estimées pour différents facteurs de forme par l’équation de Guth. Nous observons l’influence de la forme effective des nanoparticules dispersées dans la matrice en comparaison avec les résultats expérimentaux. Une augmentation du facteur de forme des agrégats conduit à un renforcement et donc à un module d’Young plus élevé. Cela nous indique que les agrégats réels de nanoparticules au sein de nos matériaux sont plutôt de forme allongée avec un facteur de forme moyen de 12 – 15 en moyenne selon la direction de traction.
Figure V-8 : Schéma représentant la structure des agrégats de CB dispersés dans une matrice polymère : les particules primaires, et les dimensions d’un agrégat.
Dans le cas des composites avec les nanoparticules CB, cette gamme de facteur de forme nous suggère que la plupart des nanoparticules de CB sont sous forme d’agrégats (Fig. V-8). Par contre, cela ne nous permet pas d’estimer la taille réelle des agrégats dispersés dans la matrice parce que le facteur de forme se définit comme la longueur divisée par la largeur.
Les CNTC ont un facteur de forme compris approximativement entre 60 et 250 selon les informations du fournisseur. Mais cette valeur suppose que les CNT sont rectilignes, ce qui n'est probablement pas le cas, du fait de leur flexibilité. D'autre part, une partie d'entre eux est agglomérée
sous forme de fagots. La taille des paquets de CNTC observés s’accroit avec la fraction de CNTC ajoutée dans la matrice (Fig. V-4).
Figure V-9 : La contrainte de compression en fonction de la déformation pour un échantillon de 1 mm d’épaisseur obtenu à partir de l’empilement de plusieurs films de 50 µm de PU88A, PU88A-1CB ou
PU88A-1CNTC.
Des tests de compression uniaxiale effectués sur des films de 50 µm superposés en multicouches jusqu’à 1 mm, avec un même pourcentage de CB ou de CNTC, nous permettent de comparer le renforcement mécanique en compression, comme le montre la Fig. V-9. Les modules d’Young en compression et en traction sont présentés dans le Tableau V-3. Le PU88A et le PU-CB donnent un module de compression proche de celui mesuré en traction. Par contre, dans le cas du PU-CNTC, il semble que les paquets de CNTC entrainent une meilleure résistance à la compression : le module en compression de PU-1CNTC est 1,5 fois plus élevé que le module d’Young du PU-1CB.
Tableau V-3 : Modules du PU88A et des composites avec 1 %v de CB ou de CNTC. Module d'Young en compression
(MPa)
Module d’Young en traction (MPa)
Vitesse de déformation (s-1) 0,002 0,02
PU88A 33 33
1CB 42 41