Direct small angle neutron scattering observation of stretched chain conformation in nanocomposites: more insight of polymer contributions in mechanical reinforcement

International audienceIn this paper we present a direct measurement of stretched chain conformation in polymer nanocomposites in a large range of deformation using a specific contrast-matched SANS method. Whatever the filler structure and the chain length the results show a clear identity of chain deformation in pure and reinforced polymer and offer a new insight of the polymer chain contribution in the mechanical reinforcement. It suggests that glassy layer or glassy paths, recently proposed, should involve only a small fraction of chains. As a result, the remaining filler contribution appears strikingly constant with deformation as explained by continuous locking-unlocking rearrangement process of the particles

Observer les matériaux polymères pour mieux les comprendre. Quoi, pourquoi, comment observer ?

Dans ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches (HDR), je reviens à partir de la fin de mon doctorat en 2005 sur mon parcours en tant qu’enseignant-chercheur. J’y aborde, sans distinction chronologique, mes activités de recherche réalisées dans le cadre de mes postes de maître de conférences à l’ICMPE (Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est) de Thiais puis au laboratoire MATEIS (MATériaux : Ingénierie et Science) à Lyon. Mes activités de recherche s’articulent autour des deux questions gigognes et fondamentales en science des matériaux polymères, à savoir la description de leur microstructure et la compréhension du rôle que joue cette dernière sur leur comportement, essentiellement mécanique, à l’échelle macroscopique.Le présent manuscrit est organisé en trois parties avec comme fil conducteur la méthodologie d’observation et de quantification des microstructures mise en regard des propriétés mécaniques du matériau. Les deux premiers chapitres détaillent quelques exemples d’études en fonction du type de système polymère : hybride organique/inorganique ou organique/organique, en positionnant systématiquement l’ensemble de l’étude par rapport à la discussion des propriétés ciblées des matériaux étudiés. Le premier est consacré à la caractérisation 2D ou 3D par MET (Microscopie Electronique en Transmission) de matériaux nanocomposites (matrice élastomère ou thermoplastique renforcée par des nanocharges sphériques ou plaquettaires) et aborde la question de la quantification de la dispersion de nanoparticules sphériques dans une matrice polymère à partir de telles observations.La seconde partie se focalise sur l’apport des observations par AFM (Microscopie à Force Atomique) à l’étude des matériaux polymères auto-associatifs (ionomères, silicones autocicatrisants ou encore polyuréthanes thermoplastiques) ou des mélanges polymère-bitume. Elle illustre aussi l’intérêt d’associer ces observations avec des caractérisations par diffusion de rayonnement X (aux grands ou aux petits angles).Enfin, dans une dernière partie je m’attache à dégager des perspectives de mes activités de recherche et à en discuter les orientations futures. Ce chapitre aborde les questions du comment et du pourquoi, parfois à travers des réflexions plus personnelles autour de la responsabilité de la recherche, tout en ouvrant des questionnements sur les matériaux polymères, leurs propriétés et leurs applications dans le contexte notamment des enjeux environnementaux. Ce troisième chapitre termine par la présentation d’un projet à plus long terme centré sur l’AFM et les techniques de mesures locales associées

Composites à matrice polymère et nano-renforts flexibles : propriétés mécaniques et électriques.

This work deals with the processing, the microstructural characterisation, and the macroscopic properties of high aspect ratio nanofibre filled polymer nanocomposites. By studying two types of fillers (carbon nanotubes and cellulose nanofibrils) with two different routes for composite processing, this study allows to understand the effect of nanofibre entanglements and of fibre-fibre interactions on the composite properties. Mechanical properties at small and large deformation, and, in the case of carbon nanotubes filled materials, electrical properties were investigated. A modelling approach based on fibre discretization in a representative volume, allowed to discuss the influence of fibre tortuosity and of fibre-fibre contact electrical properties on electrical percolation.Cette thèse porte sur la mise en œuvre, la caractérisation microstructurale et l'étude des propriétés macroscopiques de matériaux nanocomposites à matrice polymère (un latex filmogène) renforcée par des nanofibres flexibles à haut facteur de forme. En étudiant deux types de renforts (les nanotubes de carbone et les nanofibrilles de cellulose) et en utilisant deux procédés différents pour l'élaboration des composites, ce travail a permis de mieux comprendre le rôle que jouent les enchevêtrements entre nanofibres et la nature de leurs interactions dans ce type de matériaux. Les propriétés mécaniques aux faibles et grandes déformations, et, dans le cas des renforts nanotubes de carbone, les propriétés élecriques ont été analysées. Une approche de modélisation basée sur la discrétisation des fibres dans un volume représentatif, a permis de discuter l'influence de la tortuosité des fibres et des propriétés électriques des contacts entre fibres sur la percolation électrique

Composites à matrice polymère et nano-renforts flexibles (propriétés mécaniques et électriques)

Cette thèse porte sur la mise en œuvre, la caractérisation microstructurale et l'étude des propriétés macroscopiques de matériaux nanocomposites à matrice polymère (un latex filmogène) renforcée par des nanofibres flexibles à haut facteur de forme. En étudiant deux types de renforts (les nanotubes de carbone et les nanofibrilles de cellulose) et en utilisant deux procédés différents pour l'élaboration des composites, ce travail a permis de mieux comprendre le rôle que jouent les enchevêtrements entre nanofibres et la nature de leurs interactions dans ce type de matériaux. Les propriétés mécaniques aux faibles et grandes déformations, et, dans le cas des renforts nanotubes de carbone, les propriétés élecriques ont été analysées. Une approche de modélisation basée sur la discrétisation des fibres dans un volume représentatif, a permis de discuter l'influence de la tortuosité des fibres et des propriétés électriques des contacts entre fibres sur la percolation électrique.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Nanoparticles reorganizations in polymer nanocomposites under large deformation

cited By 9International audienceThe structural evolution of nanoparticles (NPs) dispersion under uniaxial stretching and extension/retraction deformation cycles above Tg was investigated in model silica/polymethylmethacrylate (PMMA) nanocomposites (PNCs) by a combination of Small Angle X-ray Scattering (SAXS) and Transmission Electronic Microscopy (TEM). The different structure displacements and reorganizations can be quantitatively characterized as a function of elongation ratio, silica volume fraction and NP size. At low NP volume fraction, a rotation/orientation of non-connected aggregates is observed along the stretching direction, while the reinforcement is low and might be limited by the large-scale aggregates. At high volume fraction, the stress-strain curves exhibit three regimes. (i) At low stretching ratio, in the linear deformation regime, reinforcement is driven by the primary network filler structure. (ii) Above a few percent of deformation, a yield is observed and can be associated to the network breakdown as revealed by cyclic extension/retraction experiments. (iii) As a result of this yield, at larger deformation, the stress curve appears as shifted upward with respect to the one of pure polymer. A persistence of this vertical shift (constant value up to large deformation) might be related with SAXS measurements to a non-affine deformation of the NPs network due to new structural arrangements, while in a second case, the decrease of stress to the pure polymer value with increasing deformation is related with observation of affine deformation after the yield. Finally, affinity and non-affinity after yielding are discussed for all the systems according to the strength of the NP-NP interaction. © 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved

Nanocomposites of Silica Reinforced Polypropylene: Correlation Between Morphology and Properties

International audiencePolypropylene/fumed hydrophilic silica nanocomposites were prepared via melt mixing method using a single-screw extruder. Comparative study with and without compatibilizing copolymer agent (maleic anhydride grafted polypropylene: PP-g-AM) was conducted. The obtained results were interpreted in terms of silica nanoparticle-silica nanoparticle and silica nanoparticle-polymer interactions. These results have shown that the addition of nanofillers improves the properties of the nanocomposites. From transmission electron microscopy, it was found that agglomerations of silica particles into the PP matrix increased in average size with increasing silica contents, except in presence of the copolymer. Storage modulus values of the nanocomposites measured by dynamic mechanical thermal analysis were sensitive to the microstructure of the nanocomposites. Higher silica contents resulted in higher storage modulus, revealing that the material became stiffer. By adding the compatibilizer, a further increase of storage modulus was observed due to the finer dispersion of the filler in the matrix and the increased interfacial adhesion. Crystallization rates were found to increase with the increase of silica nanoparticles as well as PP-g-MA content. In addition, silica nanoparticles and the compatibilizing agent present centers of germination and nucleation of crystallites. Thus, the use of the coupling agent resulted in a further enhancement of mechanical properties of the nanocomposites due to the reduction of silica agglomeration

Coupled mechanical and conductivity measurements: Damage detection

International audienceThis paper reports in situ measurements of electrical resistivity during mechanical solicitation of insulator-conductor composite. Electrical and mechanical behaviors will be discussed on 3 examples namely (i) unidirectional carbon fiber reinforced polymers (CFRP), (ii) stick-like whiskers reinforced soft thermoplastics and (iii) carbon nanotubes reinforced soft thermoplastics. Resistivity measurements are described as a useful tool to monitor the damage of these composites. In the case of composite materials consisting in reinforced insulated matrix by electrically conducting fibers or fillers, resistivity (or conductivity) measurements show classically several features such as strong anisotropy in long fiber composites or the existence of continuous direct current (DC) conducting pathway for short fiber or particulate composites. Moreover, and this is the topic discussed here, in terms of mechanical stress/strain properties, the fibers or fillers conducting network may exhibit resistivity changes due to fiber ruptures, delamination, filler-filler debonding within filler network, etc

Influence of the chain extender of a segmented polyurethane on the properties of polyurethane-modified asphalt blends

International audienceThis paper reviews the influence of the hard segment (HS) chemical structure on the properties of thermoplastic polyurethanes based on dimer fatty acid soft segments, and on their resulting blends with bitumen. Three types of hard segments were used which consist in 4,4’-methylene bis(phenyl isocyanate) (MDI) reacted either with 1,4-butanediol (BDO), 1,4:3,6-dianhydro D-sorbitol (isosorbide) or 2-ethyl-1,3-hexanediol (EHDO). The characterization of thermoplastic polyurethanes (TPUs) containing 13 wt% HS was conducted by differential scanning calorimetry, dynamic mechanical analysis, Hansen solubility parameters measurements and morphology analysis. The use of Hansen solubility parameters combined with thermal and swelling analyses provides information about the quality of phase separation occurring in the neat TPUs. Phase separation depends on the hard segments used and on their ability to self-organize within crystalline structures. Morphology analysis and swelling measurements of the TPU blended with bitumen by fluorescence microscopy show that the swelling of the polymer is highly dependent on the quality of phase separation between soft and hard segments in the pure polymer as well as on the compatibility of these segments with bitumen. Highly phase separated TPUs offer elasticity improvement to the bituminous blend

Isostructural softening of vulcanized nanocomposites

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