Amélioration des propriétés mécaniques en traction de mousses de celluloïd modifié

La nitrocellulose est un polymère énergétique issu de la nitration de la cellulose de bois ou de coton qui est notamment utilisé dans la formulation de peintures, de cosmétiques et pour la fabrication de poudres propulsives. Une de ses formulations les plus connues consiste à ajouter du camphre à la nitrocellulose pour former un matériel thermoformable, le celluloïd. Avec l'accroissement de l'intérêt porté aux contenants combustibles en celluloïd ces dernières années, une technologie de moussage a été développée permettant ainsi d'améliorer les propriétés en combustion du matériel. Les propriétés mécaniques, tout aussi importantes, et la morphologie des mousses sont le sujet de recherche de cette étude. L'objectif est de déterminer de nouvelles formulations comprenant des plastifiants, autres que le camphre, des agents de nucléation et des agents moussants, et d'en évaluer l'impact sur les propriétés mécaniques et sur la structure des mousses. Trois plastifiants issus de l'industrie de cosmétiques, deux agents de nucléation et deux agents moussants chimiques ont été évalués. Le procédé de moussage utilisé implique également l'utilisation d'un agent moussants physique. Parmi les deux agents de nucléation choisis, l'un d'entre eux est également un agent moussant chimique, l'objectif est donc de comparer l'effet de la nature de ces deux agents sur la structure de la mousse obtenue. Les propriétés mécaniques ont été déterminées par des tests de traction sur les matériaux moussés et non moussés; la morphologie des mousses a été observée à l'aide d'un microscope électronique à balayage. Les propriétés thermiques des matériaux en fonction de leur composition ont été déterminées par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et par analyse dynamique mécanique (DMA). Les résultats obtenus ont permis d'identifier un plastifiant conférant des propriétés mécaniques supérieures à celles du camphre, et une structure de mousse plus homogène. Il a par ailleurs été démontré que la structure des mousses était grandement influencée par la concentration d'agent de nucléation. Des essais complémentaires en calorimétrie à flux thermique (HFC) ont été réalisés afin d'avoir une meilleure caractérisation du plastifiant sélectionné. Ces tests ont révélé une absence de migration du plastifiant hors de la matrice après un an de stockage, et une bonne compatibilité chimique du mélange plastifiant/ nitrocellulose permettant un stockage sécuritaire à une température de 25°C pendant 10 ans. Il a été démontré que la nature de l'agent moussant chimique utilisé et sa température de dégradation ont un impact sur la morphologie des mousses. L'influence de facteurs externes comme la teneur en solvant résiduel dans les échantillons a aussi été considérée, afin de s'assurer de la validité des résultats.

Abstract

Nitrocellulose is an energetic polymer resulting of the nitration of wood or cotton cellulose which is used particularly in the formulation of paints, cosmetics and for the manufacture of propellants. One of its most known formulations is the celluloid, a mix of nitrocellulose and camphor which provides a thermoformable material. With the recent renewal of interest in combustible casing made with celluloid, a foaming technology was developed to enhanced combustion properties of the material. Mechanical properties and foam morphology were the subject of these researches. This work aims at evaluating new celluloid formulations where the camphor is being replaced by other plasticizers and where nucleating agents and chemical blowing agents were added. The effects of these new components on the mechanical properties and on the morphology of the foam has been investigated. Three camphor surrogated found in cosmetic products, two nucleating agents and two chemical blowing agents were tested. The foaming method also requires to use a physical blowing agent. Among the two nucleating agents chosen, one of them is also a chemical foaming agent, the objective will therefore be to compare the effect of the nature of these two agents on the structure of the foam obtained. Mechanical properties of materials were determined by tensile tests and foam morphology was observed by Scanning Electron Microscopy (SEM). Thermal properties were also determined by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic mechanical Analysis (DMA). Results show that at least one plasticizer provide better properties than the formula with camphor and concentration of nucleating agent could really influence the foam morphology. Further evaluations of this new plasticizer were performed by Heat Flow Calorimetry (HFC). Absence of plasticizer migration on 1-year storage material and chemical stability of the formulation was demonstrated. Chemical stability of the blend allows a safe storage at 25ºC during 10 years. It was demonstrated that the nature of the chemical foaming agent used and its degradation temperature have an impact on foam morphology. The impact of external factors like residual solvent concentration inside the samples tested was considered, to ensure results validity.