Optimisation des propriétés barrières de membranes nanocomposites à base de caoutchouc nitrile contre les solvants organiques

Résumé

Les propriétés de barrière des polymères peuvent être altérées de manière significative par l’inclusion de nanoargiles lamellaires imperméables. L’amélioration de ces propriétés est gouvernée par l’étendue de dispersion des lamelles ainsi que par leur orientation dans la matrice polymère. La présente thèse consiste à développer des matériaux nanocomposites à base de caoutchouc nitrile, chargés de nanoargiles lamellaires, ayant des propriétés barrières optimisées. La démarche suivie est scindée en trois étapes. Dans un premier temps, la synthèse des nanocomposites a été réalisée en utilisant trois protocoles différents rencontrés dans la littérature; extrusion, mixage et voie chimique. La résistance aux solvants a été évaluée par une technique gravimétrique de prise de masse et les résultats obtenus montrent un effet évident des paramètres de fabrication. Des analyses effectuées par deux techniques de diffraction des rayons X en combinaison avec des observations microscopiques ont permis de conclure que les améliorations résultent de l’éloignement des lamelles nanoargiles. Suite à ces considérations, l’effort s’est concentré sur l’optimisation de la délamination des plaquettes nanoargiles empilées tout en assurant leur orientation selon les directions latérales. La méthode adoptée consiste à appliquer des modifications chimiques sur la structure de la matrice caoutchouteuse ainsi que sur la surface des lamelles nanoargiles afin d’améliorer l’affinité entre les deux. D’une part, un monomère d’anhydride maléique doté d’une polarité élevée est greffé sur la chaîne macromoléculaire du caoutchouc nitrile et d’autre part, des nanoargiles avec des fonctionnalisations organiques ont été utilisées. La mise en forme par extrusion est retenue pour maintenir l’orientation. Des analyses spectroscopiques ont validé le greffage du monomère et des tests de thermogravimétrie ont confirmé la stabilité des surfactants organiques sur les nanoargiles durant la fabrication. Les analyses effectuées sur l’étendue de la délamination des empilements nanoargiles ont montré une augmentation substantielle de la présence des lamelles individuelles. En outre, l’intercalation est plus prononcée. Les résultats rendent compte d’une excellente corrélation entre les analyses en diffractométrie et les observations microscopiques. De plus, une étude statistique menée à travers une analyse dispersive en énergie a montré l’effet de la modification chimique sur la bonification de l’homogénéité des nanoargiles dans la matrice. De surcroît, l’orientation est évaluée par une approche tridimensionnelle appliquée sur des stéréographies de diffraction. Les résultats montrent un alignement privilégié selon la direction de l’extrusion. La synthèse d’un nanocomposite doté d’une morphologie optimisée ayant abouti, les propriétés barrières aux solvants sont testées. Le transport moléculaire se manifeste lors du processus de pénétration du liquide et il est étudié en se basant sur les lois de Fick. L’absorption du solvant dans le nanocomposite greffé est nettement plus faible comparativement au nanocomposite conventionnel. Les paramètres de la cinétique de migration des molécules pénétrantes ont aussi été évalués. Le nanocomposite greffé présente une réduction notable de la diffusivité du solvant à travers sa structure, ainsi qu’une diminution de son coefficient de perméation. Sauf quelques exceptions, ces observations sont validées pour trois solvants différents et à quatre températures allant de 23 à 70 °C. Il a été montré que tous les paramètres relatifs au transfert de masse sont augmentés sous l’effet de l’accroissement de la température. L’effet inverse est observé avec l’augmentation de la taille de la molécule pénétrante.

Date	5 juin 2019
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Stéphane Hallé (Directeur(-trice)) & Ludwig Vinches (Codirecteur(-trice))