Advanced polymer nanocomposites with tailored morphologies for high voltage insulating systems

Résumé

Cette thèse rapporte différentes approches pour préparer des matériaux d’isolation nanostructurés qui bénéficient d’une dispersion contrôlée de nanoparticules dans l’objectif d’optimiser leurs propriétés. Ces approches se basent sur l’utilisation de matrices polymères multi-phases, telles que les copolymères à blocs et les mélanges de polymères, comme gabarit pour guider la dispersion des nanoparticules. Deux types de nanoparticules, organiquement modifiées, ont été utilisés: l’oxyde de zinc (ZnO) sous forme de sphères et l’argile Montmorillonite sous forme de plaquettes. En plus, un copolymère à blocs a été sélectionné comme gabarit, à savoir: le polystyrène-b-poly (éthylène-cobutylène)- b-polystyrène (SEBS) constitué de deux blocs de polystyrène (PS) sous forme de domaines nanométriques et d’un bloc élastomère de poly(éthylène-co-butylène) (PEB). Des nanocomposites SEBS/argile et SEBS/ZnO ayant des morphologies variées ont été fabriqués. En particulier, l’orientation des nanodomaines du bloc PS et des plaquettes d’argile dans ces nanocomposites a été contrôlée en ayant recours à différentes méthodes de fabrication. Les morphologies obtenues varient de l’isotropie totale à l’orientation totale suivant une seule direction, en passant par des morphologies intermédiaires partiellement orientées. La distribution spatiale des deux types de nanoparticules ainsi que leurs affinités respectives aux blocs PS et PEB ont été également contrôlées par la présence ou non de groupements fonctionnels d’anhydride maléique (MA) greffés sur le bloc élastomère PEB. Les propriétés diélectriques, rhéologiques, thermiques et mécaniques de ces nanocomposites ont été caractérisées en corrélation avec leurs morphologies. Dans les nanocomposites SEBS/argile, l’incorporation des argiles a réduit la mobilité des chaînes du bloc PEB situées à l’interface polymère/nanoparticule. Une transition vitreuse, plus élevée que celle du bloc PEB, a été attribuée à ces chaînes de la zone interfaciale. De plus, l’orientation et la localisation des argiles ont affecté la mobilité de ces chaînes et en conséquence les proprieties d’ingénierie. Plus précisément, les nanocomposites SEBS/argile ayant une morphologie partiellement alignés ont assuré la combinaison optimale de résistance diélectrique et mécanique. Dans les nanocomposites SEBS/ZnO et en présence du MA, la dispersion des nanoparticules et leur affinité au bloc PEB ont été nettement améliorées. Par conséquence, un réseau entre les nanosphères de ZnO et les chaînes de polymère a été formé. Ce réseau a été associé à une amélioration de la conductivité thermique et une remarquable augmentation de la résistance à l’érosion de surface par décharges couronne; le volume érodé étant réduit de 90% à seulement 5 wt% de ZnO. Dans la dernière partie du projet, des nanocomposites SEBS/ZnO sélectionnés ont été mélangés avec du polyéthylène (PE) pour préparer des nanocomposites hybrides PE/SEBS/ZnO candidats pour l’isolation haute tension. La résistance à l’érosion de surface et la flexibilité mécanique des nanocomposites PE/SEBS/ZnO ont été améliorées par rapport aux nanocomposites de reference PE/ZnO. Cette augmentation a été associée à l'amélioration de la dispersion des nanoparticules de ZnO et à leur localisation sélective dans SEBS et à l’interface entre PE et SEBS.

Date	11 juil. 2017
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Nicole R. Demarquette (Directeur(-trice)), Éric David (Codirecteur(-trice)) & Michel F. Fréchette (Codirecteur(-trice))