Design and development of clay-based graphene/polymer composites for extruded cable application

Résumé

Différentes techniques et stratégies sont présentées dans cette thèse afin de trouver des propriétés appropriées pour les composites polymériques conducteurs utilisables dans les câbles extrudés. Dans cette optique, des composites polymériques conducteurs flexibles et légers ont été développés. Les principaux aspects à considérer quand il est question de composites sont un processus de fabrication simple, accessible et des matériaux bon marché. Pour répondre aux besoins de l’industrie dans l’utilisation des câbles HV, deux polymères simples (polyéthylène basse densité et polyéthylène-acétate de vinyle) avec plusieurs charges conductrices carbonées ont été sélectionnés pour ce projet de doctorat. Les objectifs sont d’augmenter la conductivité thermique et électrique de plusieurs composites polymériques conducteurs en utilisant un graphène-hybride d’origine naturelle. Celui-ci a été obtenu à partir de sucre et d’argile. Pour mener à bien ces objectifs, le polyéthylène basse densité a été combiné avec des charge de type graphene par un procédé de mélangeage fondu, comme matériau de référence. Les propriétés électriques caractérisées par spectroscopie diélectrique large bande ont révélées la formation d’un réseau conducteur pour une teneur en charges supérieure à 30 wt%. Le polyéthylène à basse densité/noir de carbone (LDPE/CB) avec plusieurs concentrations en charges de CB ont été préparés par mélange fondu. Une augmentation significative de la conductivité électrique a été obtenue avec une concentration de charge entre 15 et 20% en masse. La morphologie nanostructurée du composite avec une bonne dispersion et distribution des charges de noir de carbone sous forme sphérique a permis un bon contact entre les particules. Des chemins de charge ont alors pu se former en conséquence. Le LDPE/CB a montré une dépendance au champ magnétique et des phénomènes d’hystérèse. Le décalage du pic de polarisation interfaciale vers les fréquences les plus hautes a été observé et lié à la connexion entre agrégats à plus haut champ. L’ajout de 5% en masse de CB dans le LDPE a entrainé une augmentation du claquage diélectrique de 10% ce qui fait de ce matériau un bon choix pour les applications d’isolation électrique. Une augmentation significative de la conductivité thermique du composite LDPE/CB a été obtenue avec l’addition de 20% en masse de CB. En changeant le polymère hôte non polaire par un polymère polaire, l’éthylène-acétate de vinyle a été mélange avec un graphène-hybride par une technique de coulée avec un solvant. Les investigations des propriétés électriques de l’EVA/graphène-hybride a montré un seuil de percolation entre 25 et 30 wt% de charge. Pour comparer la conductivité électrique des charges de graphène-hybride dans le composite polyéthylène-acétate de vinyle (EVA) avec des charges carbonées comme le CB ou du graphène (G) commercial était conducteur à des concentrations supérieures à 5 et 15% en masse respectivement. La technique de coulée- évaporation du solvant (« solvent casting ») et la taille nanométrique des particules de CB ont permis la formation d’un réseau conducteur à basse concentration de charge (5% en masse). Au contraire, l’agglomération des particules micrométriques de graphène a entravé la formation du réseau conducteur jusqu’à 15% en masse. L’addition de CB et de graphène à l’EVA a systématiquement augmenté la conductivité thermique des composites. Considérant les informations acquises sur le rôle des charges graphène-hybrides dans le LDPE et l’EVA, le LDPE/EVA a été mélangé avec des charges semblables au graphène par coulée-évaporation. Il a été montré que ce composite (LDPE/EVA/ graphène-like) était conducteur à 17,5% en masse de charge. Le taux de recuit du LDPE/EVA/ graphène -like était influent sur la conductivité du composite au seuil de percolation. De plus, une augmentation de la conductivité électrique d’un ordre de magnitude a été obtenue grâce à la formation d’un réseau conducteur durant le recuit. La réponse diélectrique du composite à été scannée sur une plage de fréquence de 10-1 à 106 Hz et de température de l’ambiante à une température proche de la température de fusion. Les composites au seuil de sous-percolation ont révélé une dispersion de fréquence à basse fréquence et à une température élevée. La conductivité effective du composite LDPE/CB, simulée numériquement, était en accord avec les valeurs expérimentales à de faibles concentrations de charges (jusqu’à 15% en masse). L’arrangement des particules dans le milieu a été simulé et les résultats ont mis en évidence une différence négligeable entre la morphologie aléatoire et ordonnée à basse concentration de charges. L’absorption d’eau par les particules de CB hydrophiles a augmenté la permittivité effective du composite de manière remarquable. L’utilisation des charges conductrices dans les matrices polymériques pourraient permettre d’avoir des matériaux intelligents révolutionnaires pour les besoins de l’industrie. Par conséquent, il serait intéressant de faire des recherches supplémentaires sur le sujet.

Date	10 mai 2019
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Claudiane Ouellet-Plamondon (Directeur(-trice)), Éric David (Codirecteur(-trice)) & Michel F. Fréchette (Codirecteur(-trice))