Adhesion and Friction Properties of Polymers at Nanoscale: Investigation by AFM

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De la friction à la nano-usure du polystyrène (Rôle des interactions interfaciales)

L'objectif de ce travail est de préciser l'influence des interactions interfaciales sur la friction et l'usure du polystyrène en contact avec un substrat lisse. Pour modifier la nature des interactions, deux substrats sont utilisés : un substrat hydrophobe (wafer de silicium greffé avec un silane terminé CH3) et un substrat hydrophile (wafer hydroxylé). Les essais de friction sont réalisés à l'aide d'un tribomètre en translation. La couche de transfert est étudiée par microscopie à force atomique (AFM) et par spectrométries FTIR et XPS. Des mesures de nano-friction sont également réalisées par AFM. Ces travaux ont montré que le transfert de polymère sur le substrat ne se produit qu'à partir d'une contrainte seuil qui dépend davantage des propriétés du polymère (masse molaire...) et non directement de la nature du substrat. Des corrélations entre les caractéristiques de la couche de transfert, les propriétés interfaciales et le comportement viscoélastique du polymère sont proposées.The objective of this work is to precise the rote of interfacial interactions in the friction and nano-wear behavior of polystyrene. Studies are focused on the analysis of the transfer layer induced by the friction of polystyrene in contact with a smooth substrate. In order to change the nature of interfacial interactions, two substrates are used : a hydrophilic silicon wafer (hydroxylated by a piranha treatment) and a hydrophobic wafer (chemical grafting with CH3 erminated silanes). Friction experiments are performed with a translation tribometer. The transfer layer is analysed using atomic force microscopy (AFM) and IR and XPS spectroscopies. Nano-scale friction is also measured by AFM. Results show that the transfer appearance needs a critical interfacial shear which depends on intrinsic polymer properties (molecular weight) and not on chemical nature of substrates. Correlations between transfer layer characteristics, interfacial properties and viscoelastic behavior are proposed.MULHOUSE-SCD Sciences (682242102) / SudocSudocFranceF

Friction and nanowear of polystyrene against hydrophobic and hydrophilic substrates

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Crystallinity of Amphiphilic PE-b-PEG Copolymers

The crystallinity and the growth rate of crystalline structures of polyethylene glycol and polyethylene blocks in polyethylene-b-polyethylene glycol diblock copolymers (PE-b-PEG) were evaluated and compared to polyethylene and polyethylene glycol homopolymers. Melting and crystallization behaviours of PE-b-PEG copolymers with different molecular weights and compositions are investigated by differential scanning calorimetry (DSC). The polyethylene/polyethylene glycol block ratio of the copolymers varies from 17/83 to 77/23 (weight/weight). The influence of the composition of PE-b-PEG copolymer on the ability of each block to crystallize has been determined. Thermal transition data are correlated with optical polarized microscopy, used to investigate the morphology and growth rate of crystals. The results show that the crystallization of the polyethylene block is closer to the polyethylene homopolymer when the copolymer contains more than 50 wt. % of polyethylene in the copolymer. For PE-b-PEG copolymers containing more than 50 wt. % of polyethylene glycol, the polyethylene glycol block morphology is almost similar to the PEG homopolymer. An important hindrance of each block on the crystallization growth rate of the other block has been revealed

Friction of polystyrene: Consequence on nano-wear

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Compréhension et optimisation de la dispersion du carbonate de calcium dans une résine polyester insaturée

L objectif de ce travail est d adapter une formulation dispersante mise au point par la société Mäder à la dispersion de carbonate de calcium (CaCO3) dans une résine polyester insaturée (UP). Le carbonate de calcium est utilisé en tant que charge dans les matériaux composites à matrice thermodurcissable et en particulier dans les SMC (Sheet Molding Compound). Le rôle de cette formulation est de diminuer les viscosités de résines UP fortement chargées tout en conservant voire en améliorant les propriétés mécaniques des composites formés par un renforcement de l interface charge / matrice. Trois grands axes ont été développés au cours de ce travail : - le comportement rhéologique d un mélange CaCO3/résine UP a été déterminé et la formulation dispersante a été optimisée ; - la nature des interactions entre les différents constituants de la formulation dispersante et la surface du CaCO3 a été mise en évidence ; - de nouveaux polymères permettant une dispersion plus efficace de la charge dans la résine ont été synthétisés. Le mélange CaCO3 / résine UP présente un comportement rhéologique complexe. L optimisation de la formulation dispersante a permis d augmenter de plusieurs pourcents le taux de charge tout en conservant des viscosités inférieures à celle autorisée par le procédé industriel. L étude des interactions des constituants de la formulation avec le carbonate de calcium a permis de déterminer les fonctions les plus réactives et de comprendre leur interaction avec la surface de la charge. La synthèse de nouveaux dispersants a également été effectuée. Ces derniers ont ensuite été testés dans l application et ont montré une efficacité à disperser le CaCO3 dans la résine UP.The aim of this study is to adapt a dispersive formulation developed by the Mäder group to the dispersion of calcium carbonate (CaCO3) in an unsaturated polyester resin (UP). The CaCO3 is commonly used as filler in the domain of composites especially for Sheet Molding Compound (SMC). This dispersive formulation is able to decrease the viscosity of UP resin containing a high amount of filler. In addition, the mechanical properties of composites could be increased by reinforcing the filler / matrix interface. Three main ways have been studied: - characterization of the rheological behavior of CaCO3 / polyester blends and optimization of the dispersive formulation ; - determination of the interactions between the dispersive formulation components and the CaCO3 surface ; - synthesis of new polymers in order to improve the CaCO3 dispersion in an organic matrix. A complex rheological behavior has been observed for CaCO3 / polyester blends. The dispersive formulation improvement led to an increasing of the filler percentage by keeping the viscosity under the industrial limit. The most reactive functions with the CaCO3 surface have been identified by studying the interactions between the dispersive formulation components and the CaCO3 surface. New dispersing agents have been synthesized. Their efficiency has been demonstrated for the dispersion of CaCO3 in a UP resin.MULHOUSE-SCD Sciences (682242102) / SudocSudocFranceF

Sliding Friction of Polymers: The Complex Role of Interface

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Influence of the surface chemistry on the nanotribological behaviour of (AFM tip/graphite) couples

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Etude du comportement tribolique de poudre de graphite (transfert aux echelles nano et macroscopiques)

Cette étude a pour objectif la compréhension des mécanismes physicochimiques mis en jeu lors du frottement sec de poudres de graphite sur des contrefaces de nature différente. Les essais mécaniques (frottement, dureté, ) et des analyses physicochimiques (Raman, XPS, ) ont été réalisés, aux échelles nano et macroscopique en fonction de différents paramètres expérimentaux. Une corrélation entre frottement/transfert/microstructure/adsorption a été mise en évidence. De plus, les résultats ont montré une forte dépendance entre granulométrie du graphite et régime de frottement, ce qui est souhaitable dans le choix des matériaux pour des applications industrielles (par ex. freinage). La chimie de surface s est avérée être un paramètre permettant de contrôler la propriété autolubrifiante du graphite. Enfin, dans le but d identifier les phénomènes interfaciaux à une échelle plus locale, des essais de nanofriction ont été réalisés par AFM ; des mécanismes permettant d expliquer le phénomène du frottement extrêmement faible ayant lieu au niveau des plans de graphite ont été proposés.The present study is dedicated to a better understanding of the physicochemical mechanisms that occur during dry friction of graphite powders against various counterpart. The investigation of mechanical and physicochemical properties of these powders has been achieved at macro/nanoscopic scales, as a function of experimental parameters. A correlation beteween friction-transfer-microstructure-adsorption has been observed at a critical load. Furthermore, the results observed in this work indicated that the graphite granulometry is strongly related to the friction regime; that is of great importance in the choice of the materials for industrial applications (like braking or elecrical brushes). It was also proved that the selflubricating characteristic of graphite can be controled by the modification of the superficial chemistry of the counterface. Finally, in order to explain the interfacial phenomena at the nanoscopic scale, a nanotribolgical study has been realised by AFM; two models based on the moving of basal plans have been proposed.MULHOUSE-SCD Sciences (682242102) / SudocVILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF