Développement et caractérisation d'un procédé de fabrication de composites et biocomposites à base de nanoparticules d'argile et de résine polyester insaturée destinés à l'industrie du transport.

For the ten last years, the addition of nanoparticles in the manufacturing process of composite material has a growing interest due to the enhancement of many properties obtained once they are combined to a polymeric matrix and a fibrous reinforcement. Although this technology is recent, it has a brilliant future ahead. Nanoparticles are not just usual additives, they also act as a reinforcement that makes an important contribution to the composite performance and in order achieve those improvements, a good understanding of the interaction between nanoparticles and the polymer is essential. The purpose of this project is to develop a composite with improved properties by the addition of clay nanoparticles in the unsaturated resin polyester matrix. This study seeks the general improvement of composite mechanical properties as well as its fireproof properties with the addition of nanoclays. This aspect would be most useful for the transport's industry. The first challenge was the dispersion of nanoclays in a polymeric matrix to obtain a homogeneous structure without agglomerates. Three techniques were compared: manual mixing, sonication and high shear mixing (HSM). Various structures can be obtained depending on the dispersion technique, the ideal being exfoliation, i.e. a homogenized distribution of polymer between silicate nano-layers in order to increase matrix properties. This dispersion mainly depends on compatibility between clay and polymer. Rheological studies were accomplished in order to characterize the internal structure of manufactured nanocomposites. First, simple shear measurements showed an increase in viscosity of about 3 decades for HSM blends. Moreover, strong non-Newtonian behavior was observed for the HSM mixtures after the addition of nanoparticles and dispersion into the unsaturated polyester matrix. This behavior is defined by an initially disorganized structure of clay layers due to the decrease of polymer chains mobility. Later on, small amplitude oscillatory shear measurements in the linear viscoelastic zone illustrated a solid-like behavior for HSM mixtures. This state is governed by strong interactions between the nanoclay particles and the polymer indicating a probably exfoliated structure. The scanning electron microscopy images showed a reduction of the agglomerate's size for the type of dispersion compared to manual mixing and sonication.

Résumé

Depuis les dix dernières années, l'ajout de nanoparticules dans la fabrication de pièces en matériaux composites provoque un intérêt croissant grâce aux nombreuses améliorations des propriétés observées une fois combinées à une matrice polymère et à un renfort fibreux. Bien que récente, cette technologie est en plein développement et est promise à un brillant avenir. L'attrait principal des nanoparticules est que celles-ci n'agissent pas seulement comme des additifs conventionnels, mais aussi comme un renfort qui apporte une contribution importante au niveau des propriétés générales des matériaux composites. L'obtention de telles propriétés, une bonne compréhension de l'interaction entre les nanoparticules et le polymère est essentielle. Ce projet de maîtrise a pour objectif le développement d'un matériau composite aux propriétés améliorées par l'addition de nanoparticules d'argile dans une matrice de résine polyester insaturée. L'étude vise l'optimisation des propriétés mécaniques de la pièce ainsi que de ses propriétés ignifuges grâce aux nanoargiles et ces améliorations sont de première importance pour l'industrie du transport. Le premier défi a été la dispersion des nanoparticules d'argiles dans une matrice afin d'obtenir une structure homogène sans agglomérats. En effet, ces derniers agissent en tant que concentrateurs de contraintes qui pourraient fragiliser la pièce. Trois différentes techniques de mélange ont été expérimentées dont la sonication, le mélange à haut cisaillement (HSM) et le mélange manuel. Dépendamment du choix de la technique de dispersion, différentes structures peuvent être obtenues, l'idéal étant une exfoliation des nanoparticules. De plus, cette dispersion dépend grandement de la compatibilité nanoargile-polymère ainsi que du choix de la technique de dispersion. Des études rhéologiques ont été accomplies afin de caractériser la structure interne des nanocomposites obtenus. Dans un premier temps, des mesures en cisaillement simple ont illustré une augmentation de la viscosité de l'ordre de 3 décades. De plus, un fort comportement non-Newtonien rhéofluidifiant est observé pour le mélange obtenu par HSM après l'addition et la dispersion des nanoparticules. Ce comportement se définit par une structure initiale désorganisée des feuillets et est dû à la baisse de la mobilité des chaînes polymères. Des mesures en mode oscillatoire à faible amplitude dans le domaine linéaire ont illustré un comportement de type « gel faible » pour les mélanges HSM. Cet état est régit par de fortes interactions entre les nanoargiles et la matrice indiquant une probable exfoliation des