Characterization of Flow-Induced Structures in Carbon Nanotube Suspensions

Les nanotubes de carbone sont des nanoparticules fibreuses présentes dans de nombreuses applications. Grâce à leur importante surface spécifique apparente, leur densité de courant électrique élevée, leur stabilité thermique et leurs excellentes propriétés mécaniques, les nanotubes de carbone sont utilisés pour améliorer les propriétés physiques des matrices polymériques. Les propriétés macroscopiques des suspensions proviennent de leurs propriétés à l'échelle du micron et du submicron. La structure des suspensions peut être facilement influencée par de nombreux paramètres tels que les forces de cisaillement externes, la concentration de la suspension, la température, les caractéristiques des particules, etc. L'étude de la structure de la suspension représente un défi majeur et devient un sujet d'intérêt grandissant pour de nombreux chercheurs. Dans cette étude, la structure d'une suspension modèle de nanotubes de carbone dispersée dans une résine époxy est étudiée en utilisant un ensemble de méthodes rhéologiques, les théories fractales et de mise à l'échelle ainsi qu'un modèle structural thixotropique. L'effet de l'histoire d'écoulement sur les propriétés viscoélastiques linéaires des suspensions et l'évolution de la structure lors de l'arrêt du cisaillement ont été investigués pour une large gamme de vitesse de pré-cisaillement, de concentrations et de températures. Les résultats de ces analyses sont les suivants. L'effet de l'histoire d'écoulement s'est avéré plus prononcé pour les suspensions diluées ou semi-diluées. Les faibles vitesses de pré-cisaillement entraînent un plus grand nombre d'enchevêtrements entre les particules. Cela résulte de la réduction du seuil de percolation rhéologique. Pour les suspensions diluées ou semi-diluées, après l'arrêt du cisaillement, les vi différentes structures métastables formées ont pu être distinguées par leurs différents modules de conservation qui sont inversement reliés à la vitesse de pré-cisaillement. Pour les suspensions concentrées, les structures métastables formées ont donné des modules de conservation équivalents quelque soit le pré-cisaillement appliqué. Il a été montré que la vitesse de formation de ces structures métastables augmentait avec l'augmentation de la concentration. De plus, pour les concentrations faibles et intermédiaires, la vitesse de formation des structures métastables décroît lorsque l'on augmente la vitesse de pré-cisaillement appliqué, alors que pour les concentrations élevées, le pré-cisaillement n'a pas d'influence sur la formation des structures. Il a été trouvé que le module élastique des structures métastables formées est relié aux vitesses du pré-cisaillement appliquées selon une loi de puissance; les paramètres de celle-ci dépendent fortement de la concentration. Cette corrélation est applicable aux résultats à cisaillements constants pour les suspensions formant une courbe maîtresse sur une large échelle de concentrations, au-dessus et en-dessous du point de gélification. Cela illustre également l'importance du module de conservation des structures métastables comme un paramètre représentant l'évolution de la structure. À la lumière des théories fractales et de mise à l'échelle, il apparaît dans cette recherche que les suspensions de nanotubes étudiées sont classées comme des suspensions à floculation lente pour lesquelles l'élasticité des structures provient à la fois des liaisons inter- et intra-flocs. De plus, le potentiel d'interaction des suspensions est une combinaison des composants centraux et non-centraux. La faible sensibilité de la dimension fractale des suspensions à l'histoire d'écoulement est en accord avec le module de conservation constant des structures métastables, qui est faiblement influencé par la vitesse de pré-cisaillement proche et au-dessus du point de gélification. vii Etant donné que les forces de cisaillement perturbent l'état de dispersion et d'enchevêtrement des particules, cela peut causer la formation de structures sous écoulement ou la distorsion des structures dépendant de la concentration et de la vitesse du pré-cisaillement appliquée. En comparant le module de conservation des suspensions sans pré-cisaillement et celui des structures métastables après pré-cisaillement à différentes vitesses, une vitesse de pré-cisaillement critique a été déterminée pour les concentrations faibles et intermédiaires au-dessus desquelles des enchevêtrements de nanotubes se sont rompus; cela réduit leur élasticité et provoque la formation incomplète de la structure au repos. L'évolution de la structure est en accord – qualitativement – avec les prédictions d'un modèle structural thixotropique. A la différence de nombreuses suspensions de fibres et de nano-composites, le mouvement Brownien est un mécanisme influençant la formation de la structure de la suspension de nanotubes de carbone modèle en l'absence d'écoulement. Cette conclusion a pu être formulée grâce à une analyse quantitative de la vitesse de formation de la structure selon différentes températures conjointement à la réponse de la suspension en démarrage dans des directions opposées.