Polyamide 1010 and 2D nanomaterials-based hybrid multifunctional nanocomposites

Résumé

Cette thèse de doctorat se concentre sur le développement de nanocomposites polymères en utilisant une matrice de polyamide 1010 (PA 1010) biosourcée et de divers nanomatériaux bidimensionnels (2D). Pa 1010 a été choisi pour son potentiel d'application diversifié dans plusieurs domaines et son caractère respectueux de l'environnement par rapport aux polyamides traditionnels. Les charges nanométriques sélectionnés - l'oxyde de graphène (GO), le nitrure de bore hexagonal (h-BN) et le disulfure de molybdène (MoS2) - ont été choisis pour leur compatibilité chimique avec les groupes amide du polyamide et leurs structures 2D, ce qui conduit à leur surface élevée et à leurs propriétés exceptionnelles. Cependant, un défi clé dans l'utilisation de charges nanométriques 2D est d'obtenir une dispersion appropriée dans la matrice polymère. Par conséquent, cette thèse propose la nouvelle approche de combiner différentes particules 2D dans un seul composite pour améliorer la dispersion mutuelle et promouvoir des effets synergiques. Les nanocomposites ont été produits par fusion dans une extrudeuse double vis. Tout d'abord, de faibles quantités (0,1, 0,3 ou 0,5 % en poids) des nanoparticules exfoliées précédemment ont été déposées sur les particules de polymère au sol par une technique appelée solid-solid deposition. Ensuite, ce mélange de poudre a été introduit à l'extrudeuse pour mélanger la matrice polymère avec les charges nanométriques à l'état fondu, formant ainsi un mélange homogène. Ce processus facilite considérablement la mise à l'échelle, car il est compatible avec l'infrastructure de traitement des polymères industriels existante, permettant son intégration dans les lignes de production actuelles et ouvrant la voie à des applications commerciales. Des études sur la dynamique moléculaire ont été menées pour élucider les interactions entre les charges nanométriques et la matrice de polyamide, en se concentrant sur le processus de relaxation du polymère lors de la transition vitreuse, le volume des chaînes impliquées dans la transition de Brill pendant la fusion et l'énergie nécessaire pour séparer les chaînes polymères des feuilles nanométriques. Les résultats ont indiqué que GO et h-BN présentent des interactions plus fortes avec la matrice polymère par rapport au MoS2, ce qui se reflète également dans les performances de leurs respectifs composites hybrides. La microstructure de la matrice polymère, un facteur critique influençant les propriétés des matériaux à base de polymères, a été examinée par des analyses microstructurales. Ces analyses ont révélé que l'ajout des charges nanométriques a affecté l'ordre semi-cristallin de la matrice polymère. Bien que la transition de phase de α à γ n'ait pas été observée, h-BN et MoS2 se sont avérés pour diminuer à la fois la fraction cristalline globale et l'organisation des domaines cristallins. Au contraire, go n'a pas affecté de manière significative la microstructure de polymère. Cependant, avec ses feuilles plus grandes et sa forte affinité chimique, GO a conduit à la plus grande amélioration de la ténacité à la traction à température ambiante (plus de 120% à 0,5% en poids). Fait intéressant, cette amélioration n'a pas été observée à basse température (-40 ° C), où la diminution de l'ordre microstructural était la principale raison d’augmentation de la ténacité de la PA 1010, avec seuls les composites renforcés par h-BN conservant certaines caractéristiques d’augmentation de la ténacité d'origine. Enfin, pour démontrer la multifonctionnalité des nanocomposites développés, il a été démontré que l'incorporation de faibles quantités (moins de 0,5 % en poids) de ces charges nanométriques 2D permettait aux nanocomposites de conserver les propriétés diélectriques et tribologiques originales du PA 1010 tout en améliorant la conductivité thermique de près de 10%. Ces résultats soulignent le potentiel de ces nanomatériaux en tant qu'additifs à faible teneur pour des applications avancées, où l'obtention de propriétés spécifiques sans compromettre les autres présente un défi important.

Date	15 nov. 2024
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Nicole R. Demarquette (Directeur(-trice)), Guilhermino J.M. Fechine (Codirecteur(-trice)), Éric David (Codirecteur(-trice)) & Hélio Ribeiro (Codirecteur(-trice))