Nanocomposites de polycétone aliphatique renforcées au graphène : Vers une alternative durable aux polyamides

Résumé

La polycétone aliphatique (PK) est un polymère technique émergent présentant des propriétés mécaniques et barrières compétitives par rapport aux polymères techniques conventionnels tels que le polyamide 66 (PA66), tout en offrant une empreinte environnementale plus faible. Toutefois, sa stabilité thermique modérée lors du compoundage ainsi que les difficultés associées à sa mise en oeuvre à l’état fondu limitent son utilisation dans des applications techniques exigeantes. Dans ce contexte, l’incorporation de nanoplaquettes de graphène apparaît comme une stratégie prometteuse. Grâce à leurs remarquables propriétés thermiques, lubrifiantes et mécaniques, ces charges nanocarbonées peuvent agir comme des additifs multifonctionnels capables d’améliorer simultanément la processabilité, la stabilité thermique et les performances mécaniques de la PK. L’objectif de ce travail est d’évaluer le potentiel du graphène pour améliorer la processabilité ainsi que les propriétés thermiques, mécaniques et thermomécaniques de la PK commerciale et des composites PK renforcés par fibres de verre (GF). À cette fin, deux grades de graphène multicouche (FLG), nommés FLG1 et FLG2 et différant par leur surface spécifique, ont été incorporés séparément dans la matrice PK par mélange à l’état fondu afin de préparer des nanocomposites PK/FLG. Par la suite, des composites hybrides PK/FLG/GF ont également été élaborés afin de combiner les effets de renforcement du graphène et des fibres de verre. Les propriétés thermiques, mécaniques et thermomécaniques des matériaux élaborés ont été étudiées par analyse thermogravimétrique (TGA), calorimétrie différentielle à balayage (DSC), analyse mécanique dynamique (DMA), ainsi que par des essais mécaniques de traction et de flexion. Les résultats montrent que l’ajout de graphène améliore la processabilité de la PK, notamment par une réduction du couple de mélange lors du malaxage à l’état fondu. De plus, une amélioration de la stabilité thermique à haute température a été observée, suggérant un potentiel prometteur pour l’amélioration de la résistance au feu des composites. L’étude du comportement de cristallisation indique que le graphène agit comme agent nucléant, modifiant la cinétique de cristallisation de la PK tout en restreignant la mobilité segmentaire des chaînes macromoléculaires à l’interface PK/graphène. Cet effet, confirmé par les analyses DMA, est plus prononcé pour le grade FLG2, doté de la surface spécifique la plus élevée, indiquant une interaction interfaciale plus forte avec la matrice polymère. Du point de vue mécanique, les nanocomposites présentent une augmentation notable de la rigidité et de la résistance, particulièrement en flexion et en présence du grade FLG2. Par exemple, l’incorporation de FLG2 entraîne une augmentation progressive du module d’Young atteignant environ 27 % à 5 % massique de FLG2, tandis que les augmentations maximales du module et de la résistance en flexion étaient respectivement de 61 % et 47 %, pour une teneur de 1 % en FLG2. Enfin, l’incorporation simultanée de faibles teneurs en FLG comprises entre 0.5 et 1 % massique et de 15 à 30 % massique de fibres de verre conduit à un effet synergique, se traduisant par une augmentation de la rigidité et de la résistance, particulièrement en flexion. Cet effet est attribué à une meilleure interaction à l’interface PK/GF en présence de FLG. Il a été observé que l’incorporation de 0.5 à 1 % massique de FLG2 permettait de substituer au moins 5 % massique de fibres de verre tout en maintenant des performances mécaniques équivalentes ou supérieures. Ces résultats démontrent que le graphène constitue un additif multifonctionnel efficace pour optimiser les performances de la PK tout en préservant son potentiel en tant que polymère technique durable.

Date	28 août 2026
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Emna Helal (Directeur(-trice))