ELABORATION ET CARACTÉRISATION D'UN NOUVEAU MATÉRIAU HYBRIDE ORGANIQUE -INORGANIQUE: INFLUENCE DE L'INTERFACE SUR LES PERFORMANCES DES COMPOSITES

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012,

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ELABORATION ET CARACTÉRISATION D'UN NOUVEAU MATÉRIAU HYBRIDE ORGANIQUE -INORGANIQUE: INFLUENCE DE

L'INTERFACE SUR LES PERFORMANCES DES COMPOSITES

Tabet H.¹et Doufnoune R.²

1Laboratoire des Matériaux Polymériques Multiphasiques (LMPMP) ,Département de Génie des

Procédés ,Faculté de technologie, Université Ferhat-ABBAS -Sétif- Algérie

habiba_tabet@yahoo.fr

2 Laboratoire de Physico-Chimie des Hauts Polymères (LPCHP), Département de Génie des Procédés, Faculté de technologie, Université Ferhat-ABBAS -Sétif- Algérie

Résumé :

Des composites à base de polyéthylène basse densité (PEBD) et de carbonate de calcium (CaCO3) modifié en surface par un organosilane bifonctionne (Silquest A-187) ont été préparé par mélange à l’état fondu à l’aide d’un mélangeur à deux cylindres. Un polyéthylène greffe avec l’anhydride maléique (PE-g-AM) a été utilise comme compatibilisant a fin d’améliorer la qualité de dispersion de la charge au sein de la matrice. Le couplage matrice / charge a été étudié par les mesures rhéologiques en régime permanent à deux températures : 140°C et 180°C. L’effet de la concentration de l’agent de compatibilisation, la fraction massique de CaCO3 modifié,les températures et les vitesses de cisaillement ont été examines. Les mesures rhéologiques à montrer que l’ensemble des matériaux élaborés ont un comportement non Newtonien du type pseudoplastique dans tout le domaine de cisaillement exploré. Une nette diminution de la viscosité est observée pour l’ensemble des matériaux lorsque la température croit.

De surcroît, l’étude de la résistance aux chocs a permis de montrer que le traitement de surface de la charge joue le rôle de premier plan étant donné qu’il influence les états de dispersion et d’adhésion interfaciale

Mots clés : greffage, anhydride maléique, polyéthylène, carbonate de calcium, organosilane bifonctionne

1 INTRODUCTION

Le développement des matériaux composites est né de la volonté d’allier les qualités techniques aux besoins d’allégement dans un même matériau, qui par la suite doit répondre aux exigences de la technologie moderne [1]. L’intérêt des particules inorganiques sur les propriétés globales constitue sans doute la première motivation du développement des polymères chargés. La présence des charges dans une matrice polymère va avoir des conséquences sur les propriétés du matériau, comme dans tout système biphasé, leur influence peut s’étendre à la structure globale du système. Néanmoins, l’effet paraît manifestement plus fortement localisé aux zones limites entre matrice et particule inorganique. [2] Les charges minérales sont caractérisées par une conductivité thermique bien supérieure à celle des

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 328 polyoléfines (estimée à dix fois plus importante). En diminuant intrinsèquement l’étape de refroidissement, les charges conduisent à réduire les cycles de production. Mais comme elles présentent parallèlement une capacité calorifique conséquente, elles peuvent être à l’origine des gradients de température dans les pièces massives. Par ailleurs, la dilatation thermique des matériaux peut être considérablement réduite par l’adjonction de charges, sauf si le renfort est de facteur de forme élevée, ce qui peut conduire à des vrillages de pièces dues à la relaxation des contraintes liées aux différentes contractions thermiques, difficilement prévisibles[3] . L’utilisation du carbonate de calcium dans l’élaboration des matériaux composites permet d’associer un matériau dur, résistant et a faible coût avec de nombreux polymères tels que les polyoléfines. Les polyoléfines étant peu polaires présentent une faible adhérence vis-à-vis des substrats hydrophiles et polaires. Il est donc nécessaire d’optimiser les propriétés interfaciales afin d’accroître les performances des composites. En particulier, il apparaît nécessaire d’introduire au préalable des modifications de surface aux particules [4] .De plus grâce aux progrès effectués dans le domaine de la compatibilisation des mélanges, une large variété de polyoléfines en terme de nature chimique, de fonctionnalité et de structure est désormais accessible. De ce fait, les polyoléfines greffées avec l’anhydride maléique ont pu être introduites en tant qu’agent compatibilisant [5]. Ce travail est une étude exploratoire sur la possibilité de réaliser de nouveaux composites PEBD/CaCO3. Pour ce faire nous avons choisi un polyéthylène greffé avec une fonction anhydride maléique (PEBD-g-MAH) et les substrats de CaCO3 seront traités avec un agent de couplage de types organosilane (A-187). Les composites élaborés sont caractérisés aussi bien sur le plan des propriétés rhéologiques et mécaniques.

2 MATERIAUX ET METHODES 2.1 Matériaux utilisés

Un polyéthylène basse densité (PEBD), marque B-24 de « ENIP » de Skikda, le carbonate de calcium (CaCO3) fournie par : « E.N.G » d’El kharoub de Constantine, Agent de couplage est un organosilane (silquest A-187) fourni par « Witco corporation ». L'amorceur est le peroxyde de dicumyle (DCP), Monomère de greffage est l'anhydride maléique (MA) vendu par « Aldrich Chemical ».

2.2 Greffage du polyéthylène basse densité

Dans une première étape l'anhydride maléique (0.4 % en poids) et le peroxyde de dicumyle (0.2 % en poids) sont dissous dans l'acétone et homogénéisés sous agitation magnétique pendant 1 h. Dans une deuxième étape les granulés de PEBD sont imprégnés avec la solution obtenue. L’évacuation du solvant a lieu dans une étuve à 50°C pendant 12 heures. Les mélanges ont été réalisées par une extrudeuse monovis (L/D = 20) dans les conditions suivantes : 35 tr/min et les températures de travail sont respectivement 140°C, 147°C et 150°C.

2.3 Elaboration des matériaux composites

Les composites ont été obtenus en dispersant la charge dans la résine préalablement fondue avec PEBD-g- MAH sur un mélangeur à deux cylindres à 140°C pendant 10 minutes. Les taux de charge incorporés

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 329 varient de 10 à 50 % en poids. Tandis que les taux d’incorporation de PEBD-g-MAH varient de 4 jusqu’à 8 % en poids. Pour simplifier l’écriture, le mélange PEBD/PEBD-g-MA sera noté par la lettre M, les divers mélanges seront alors désignées par la nomenclature M1 et M2 pour les concentrations égales à 4 et 8 % en poids.

2.4 Les Mesures Rhéologiques en Régime Permanent

La détermination des propriétés rhéologiques en régime permanent a été effectuée au moyen d’un Rhéomètre à Capillaire type « CONTROLAB » modèle 102 Cop 10. L'étude rhéologique des composites a été examinée à deux températures à savoir : 140°C et 180 °C.

La vitesse de cisaillement apparente à la paroi est calculée selon l'équation (1) ₃

C 2 3

C

ap p R

Rp Vp 4 π R

Q

γ 4  



 

 (1) Où : Rp : Rayon du piston; Vp : Vitesse de déplacement du piston ; Rc : Rayon du capillaire.

L'expression de la tension de cisaillement apparente à la paroi est donnée par l'équation (2) :

2L ΔP R

τ_{ap p}   (2) Où : R : Rayon des capillaires; L : Longueur du capillaire ; P : Perte de charge dans le capillaire.

L'indice d'écoulement (n) est calculé, en traçant les courbes d'écoulement qui représentent les variations de la tension de cisaillement en fonction de la vitesse de cisaillement à la paroi, selon l'équation (2). Ce dernier, permet de calculer la vitesse de cisaillement réel à la paroi au moyen de l'expression (3).

_réelle γ_{ap p} 4n

1

γ  3n  (3) La valeur de la viscosité est donnée par le rapport de la contrainte de cisaillement réel sur la vitesse de cisaillement réel selon l’équation (4) :

ap p ap p

0 γ

η τ

η   (4)

2. 5 Résistance au Choc

Les essais ont été réalisés à l’aide d’un appareil et qui consiste fondamentalement en un pendule lourd portant à son extrémité libre un marteau et un emplacement pour éprouvette, ainsi qu’un cadran indicateur de l’énergie absorbée au cours du choc. Les éprouvettes sont préparées selon la norme ISO R-180.

L’entaille que l’on introduit comme amorce de rupture pour concentrer les contraintes et fragiliser l’éprouvette est de 1mm. Le choc est donné au centre de l’éprouvette par un marteau de 7,5 Kg.

La résistance sur barreau lisse (aN) à pour valeur :

(4)

http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 330 aN = AN / b.h (5) Où :aN : L’énergie cinétique absorbée par l’éprouvette sans entaille, en Joule. b : La longueur de l’éprouvette en (cm). h : L’épaisseur de l’éprouvette en (cm).

La résistance sur barreau entaille (ak ) à pour valeur :

aK = AK / b.hK (6) Où: aK : L’énergie cinétique absorbée par l’éprouvette entaillée, en Joule. b : La largeur de l’éprouvette, mesurés suivant l’axe de l’entaille en cm. hK : L’épaisseur de l’éprouvette en (cm)

3 RÉSULTATS ET DISCUSSIONS

3.1

Comportement Rhéologique des Composites en Régime Permanent

Les figures (1, ., 8) illustrent les variations de la viscosité corrigée avec la vitesse de cisaillement réel.

Ainsi il ressort de cette étude un certain nombre d’observations qui méritent d’être soulignées ; il s’avère donc que :

1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0

2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4

.

log  (Poises)

log  (sec^-1)

PEBD PEBD / 10 % CaCO

3

PEBD / 20 % CaCO₃

PEBD / 30 % CaCO 3

PEBD / 40 % CaCO₃

PEBD / 50 % CaCO 3

1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0

2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4

.

log  (Poises)

log  (sec^-1)

PEBD

PEBD / 10 % CaCO3

PEBD / 20 % CaCO₃

PEBD / 30 % CaCO3

PEBD / 40 % CaCO₃

PEBD / 50 % CaCO3

Figure 1: Variation de la viscosité en fonction de la vitesse de cisaillement réel de la matrice et des systèmes composites PEBD/ CaCO3 brute à 140°C

Figure 2 Variation de la viscosité en fonction de la vitesse de cisaillement réel de la matrice et des systèmes composites PEBD/ CaCO3 brute à 180 °C

(5)

1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0

2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4

.

log  (sec^-1)

PEBD

PEBD / 10 % CaCO₃

PEBD / 20 % CaCO₃

PEBD / 30 % CaCO3

PEBD / 40 % CaCO3

PEBD / 50 % CaCO₃

1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0

2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4

.

log  (poises)

log  (sec^-1)

PEBD

PEBD / 10 % CaCO₃

PEBD / 20 % CaCO₃

PEBD / 30 % CaCO₃

PEBD / 40 % CaCO₃

PEBD / 50 % CaCO₃

Figure 3 : Variation de la viscosité en fonction de la vitesse de cisaillement réel de la matrice et des systèmes composites PEBD/ CaCO3 traité à 140°C

Figure 4 : Variation de la viscosité en fonction de la vitesse de cisaillement réel de la matrice et des systèmes composites PEBD/ CaCO3 traité à 180°C

1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0

2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4

.

log  ( sec^-1)

PEBD

PEBD + PEBD-g-MA = M1

M1 / 10 % CaCO3 M1 / 20 % CaCO3 M1 / 30 % CaCO3 M

1 / 40 % CaCO3 M1 / 50 % CaCO3

1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0

2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2

.

log  (Poises )

log  (sec^-1)

PEBD

PEBD + PEBD-g-MA = M 1 M1 / 10 % CaCO3 M1 / 20 % CaCO3 M1 / 30 % CaCO3 M1 / 40 % CaCO3 M

1 / 50 % CaCO 3

Figure 5 : Variation de la viscosité en fonction de la vitesse de cisaillement réel de la matrice et des systèmes composites M1 / CaCO3 traité à 140 °C

Figure 6 : Variation de la viscosité en fonction de la vitesse de cisaillement réel de la matrice et des systèmes composites M1 / CaCO3 traité à 180 °C

(6)

1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0

2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4

.

log  ( sec^-1)

PEBD

PEBD + PEBD-g-MA = M₂

M₂ / 10 % CaCO₃ M

2 / 20 % CaCO₃ M₂ / 30 % CaCO₃ M

2 / 40 % CaCO 3 M₂ / 50 % CaCO₃

1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0

2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4

.

log  (Poises )

log  ( sec^-1)

PEBD

PEBD + PEBD-g-MA = M₂

M₂ / 10 % CaCO₃ M

2 / 20 % CaCO₃ M₂ / 30 % CaCO₃ M

2 / 40 % CaCO 3 M₂ / 50 % CaCO₃

Figure 7 : Variation de la viscosité en fonction de la vitesse de cisaillement réel de la matrice et des systèmes composites M2 / CaCO3 traité à 140 °C

Figure 8: Variation de la viscosité en fonction de la vitesse de cisaillement réel de la matrice et des systèmes composites M2 / CaCO3 traité à 180 °C

 L’évolution de la viscosité en fonction du gradient réel de vitesse de cisaillement pour tous les matériaux chargés ou non n’est pas linéaire. La viscosité des matériaux chargés est sensiblement supérieure à celle de la matrice pure, signe de l’augmentation du caractère pseudoplastique.

 La viscosité de l’ensemble des matériaux élaborés décroît lorsque la vitesse de cisaillement augmente. Les courbes convergent légèrement vers les plus hautes vitesses de cisaillement. Ceci, nous faisons supposer que pour des vitesses de cisaillement élevées, la contribution de la charge devient de moins en moins importante. En cela la décroissance de la viscosité pourrait être associée comme déjà évoqué à une diminution de la densité d’enchevêtrement lorsque la vitesse de cisaillement augmente.

 Une nette diminution de la viscosité est observée pour l’ensemble des matériaux étudiés lorsque la température croît. Ceci pourrait être le signe de la destruction des enchevêtrements ancrés sur les particules de CaCO3.

 La viscosité des matériaux élaborés à partir de 10 et 20 % en poids de CaCO3 traité par A-187 est légèrement inférieure à celle de la matrice pure. Ce résultat est quelque peu contradictoire du fait des possibilités de réactions entre les groupements fonctionnels de l’agent de couplage et la fonction anhydride de PEBD-g-MA. Au-delà de 30 % de charge, la viscosité croît normalement avec le taux d’incorporation des particules minérale. La décroissance de la viscosité des composites pour les faibles taux de charge pourrait être associée à un meilleur transfert de chaleur dû à une meilleure dispersion de la charge au sein de la matrice.

 La viscosité des composites étudiée diminue avec l’augmentation du taux d’incorporation de l’agent compatibilisant. Une explication plausible à cette diminution est l’affinité respective entre les phases en présence

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3.2 Résistance aux Chocs

0 10 20

30 40 50

0 20 40 60 80 100

Taux de CaCO

3(% pds) 12 10 8 6 4 0 Taux de PEBD-g-MA (% pds)

a N

(Kj / m

2 )

0 50 100 150 200

0 4

8 12

0 10 3 0 50 Taux de CaCO

3 (% pds)

aK

( kj / m

2 )

Taux de PEBD-g-MA ( % pds)

Figure9: Variation de la résistance au choc aN de la matrice et des systèmes composites en fonction des taux

de PEBD-g-MA et de CaCO3

Figure10 : Variation de la résistance au choc aK de la matrice et des systèmes composites en fonction des taux

de PEBD-g-MA et de CaCO3

La résistance aux chocs aN et aK prise en fonction des taux de charge et de PEBD-g-MA est présentée sur les figures 9 et 10. Globalement, l’ajout d’une phase inorganique au polymère conduit à une diminution de la résistance aux chocs. Une décroissance de la résistance aux chocs est observée pour tous les matériaux.

Cette importante chute s’explique vraisemblablement par une transition ductile-fragile dans le comportement des matériaux étudiés. L’augmentation du taux de charge réduit davantage la résistance aux chocs des matériaux composites. Il peut être envisagé que la réduction de la distance interparticulaire soit responsable d’un phénomène de concentration des forces localisées (états de surcontraintes) menant ainsi à un matériau non homogène du point de vue énergétique. Les particules regroupées constituent de ce fait un site d’initiation de défaut réduisant d’une manière significative la résistance aux chocs du matériau.

Cependant, une augmentation significative de la résistance aux chocs est observée avec le taux d’incorporation de PEBD-g-MA dans la résine de base. Cet accroissement est une manifestation d’une interaction entre les phases en présence. Il paraît également adéquat d’attribuer l’augmentation de la résistance aux chocs du mélange PEBD/PEBD-g-MA à une augmentation de la phase amorphe qui se

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 334 caractérise par la capacité d’amortir le choc. Ceci tend à montrer que les molécules pendantes d’anhydride maléique empêchent stériquement les chaînes de venir en contact en augmentant la séparation interchaînes diminuant de ce fait l’intensité des interactions moléculaires. Il en résulte une augmentation du volume libre dans les systèmes considérés.

4 CONCLUSIONS

Le présent travail avait pour but d’établir des corrélations entre les propriétés rhéologiques et mécaniques des composites ternaires constitués d’une matrice thermoplastique, d’un agent compatibilisant et d’une charge minérale.

L’étude des propriétés rhéologiques en régime permanent a permis de connaître les lois d’écoulement sous diverses conditions de températures et de cisaillement. Elle a montré que l’ensemble des matériaux élaborés ont un comportement non Newtonien du type pseudoplastique dans tout le domaine de cisaillement exploré.

L’étude de la résistance aux chocs a permis de montrer que le traitement de surface de la charge joue le rôle de premier plan étant donné qu’il influence l’état de dispersion des particules au sein du mélange et l’adhésion interfaciale.

5 RÉFÉRENCES

[1] V. V. Valery and V. M. Evgeny, "Mechanics and Analysis of composite Materials". First Edition, Elsevier, New York, 2001

[2] J. W. Ess and P. P. Hornsby," Twin screw extrusion compounding of mineral filled thermoplastics:

dispersion mixing effects". Plastics and Rubber Processing and Application, Vol. 8, pp 147, 1987.

[3] T. P. Selvin, J. Kuruvilla and T. Sabu, "Mechanical properties of titanium dioxide-filled polystyrene microcomposites". Materials Letters, Vol. 58, pp 281.

[4] Dufresne, A., Lavergue, C., Lacanne, C., et Gerard, J. F., Etude d’interface/interphase de composites modèles par fluage et courants thermostimulés. Comptes-rendus des 7^emejournées sur les Composites (JNC-7), Villeurbanne, pp 61-95,1990.

[5] Spathis, S. G., Siderisis, E. P., and Therocaris, P. S., Adhesion efficiency and volume fraction of the boundary interphase in metal filled epoxies. International Journal Adhesion and Adhesives, Vol.23, N°.6, pp 195-106, 1981.