Projet ANR-14-CE22-0001 – NANODYN : Dynamique multi-échelle des chaînes et des charges dans les nanocomposites
Programme : Mobilité durable et systèmes de transport (DS0603)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Madame Anne-Caroline Genix (Université Montpellier 2 - Laboratoire Charles Coulomb)
Partenaires : Laboratoire public
Montant : 199784.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 54 mois
Résumé : Dynamique multi-échelle dans des nanocomposites à matrice polymèreLe but de ce projet est d'améliorer la compréhension des proprités dynamiques multi-échelles dans des nanocomposites d'intérêt industriel, constitués d'un renfort industriel et d'un polymère utilisé dans l'industrie pneumatique. Déterminer la structure et la dynamique du matériau aux différentes échelles, et leur impact sur les propriétés macroscopiques est un challenge pour la science fondamentale, une nécessité économique pour l'industrie, et un impératif écologique pour notre société.
Comprendre les phénomènes à l'origine du renforcement mécanique et des processus de dissipation dans des nanocomposites d'intérêt industriel.La discussion actuelle sur la réglementation Européenne limitant les émissions de CO2 des voitures rappelle qu’il est urgent de diminuer la part due aux pneumatiques, qui s’élève à environ 20%. La dissipation visqueuse – en partie à l’origine de la consommation d’essence, et donc de l’émission du CO2 – mais aussi d’autres propriétés comme la tenue de route des pneumatiques dépendent des modes de relaxation de ces matériaux nanocomposites à des échelles de temps (ou de fréquence) très différentes. Ces matériaux – il s’agit de polymère avec inclusions de nanoparticules, e.g. silice – ont un comportement macroscopique complexe : la dissipation, par exemple, est décrite par la rhéologie, mais sa compréhension nécessite la prise en compte de mécanismes de relaxation ayant leur origine dans des processus un facteur 10^10 fois plus rapides. L’objectif de ce projet est d’étudier un système proche de l’application industrielle, basé sur un polymère styrène-butadiène avec une silice industrielle, c’est-à-dire fortement agrégée. Pour comparaison, nous étudierons en parallèle un système de référence, chimiquement similaire mais contenant des nanoparticules de silice sphériques et bien définies en taille. Après une étape de formulation des échantillons des deux types, suivie d’une caractérisation structurale basée sur une approche quantitative combinant la diffusion de rayonnement et la microscopie électronique, nous proposons une combinaison de sept approches expérimentales (rhéologie, spectroscopie diélectrique, diffusion dynamique de la lumière, microscopie à force atomique, résonance magnétique nucléaire, corrélation de photons X, diffusion quasi-élastique des neutrons ) afin de cerner le caractère multi-échelle de la dynamique de ces nanocomposites, permettant de comprendre les relaxations dissipatives.
Projet méthodologique sur la dynamique multi-échelle utilisant la combinaison de plusieurs techniques expérimentales.Les techniques utilisées pour étudier la dynamique et la structure des nanocomposites sont la diffusion du rayonnement aux petits angles et la microscopie électronique couplée à des simulations numériques pour la structure, et la rhéologie, la spectroscopie diélectrique, la diffusion de la lumière, la microscopie à force atomique, la résonance magnétique nucléaire, la corrélation de photons et la diffusion quasi-élastique des neutrons pour la dynamique. Ces techniques permettent de couvrir une large gamme d'échelle de temps et d'espace, et les sondes sont sensibles à différentes entités à l'intérieur de l'échantillon (nanoparticules de silice, chaînes de polymère, ions, ...). Ces méthodes sont ainsi sensibles aux relaxations locales du polymère à l'échelle nanomètrique, couvrent les fluctuations dipolaires à des échelles de taille allant de la molécule aux aggrégats de silice (spectroscopie diélectrique), alors que la diffusion de la lumière est sensible aux réorganisations des nanoparticules sur quelques nanomètres jusqu'au micromètre. Enfin la rhéologie est sensible à la combinaison de plusieurs effets: reptation des chaînes, mécanismes de relaxation aux interfaces et déplacements des charges.
Résumé de la soumission : La discussion actuelle sur la réglementation Européenne limitant les émissions de CO2 des voitures rappelle qu’il est urgent de diminuer la part due aux pneumatiques, qui s’élève à environ 20%. La dissipation visqueuse – en partie à l’origine de la consommation d’essence, et donc de l’émission du CO2 – mais aussi d’autres propriétés comme la tenue de route des pneumatiques dépendent des modes de relaxation de ces matériaux nanocomposites à des échelles de temps (ou de fréquence) très différentes. Ces matériaux – il s’agit de polymère avec inclusions de nanoparticules, e.g. silice – ont un comportement macroscopique complexe : la dissipation, par exemple, est décrite par la rhéologie, mais sa compréhension nécessite la prise en compte de mécanismes de relaxation ayant leur origine dans des processus un facteur 10^10 fois plus rapides. L’objectif de ce projet est d’étudier un système proche de l’application industrielle, basé sur un polymère styrène-butadiène avec une silice industrielle, c’est-à-dire fortement agrégée. Pour comparaison, nous étudierons en parallèle un système de référence, chimiquement similaire mais contenant des nanoparticules de silice sphériques et bien définies en taille. Après une étape de formulation des échantillons des deux types, suivie d’une caractérisation structurale basée sur une approche quantitative combinant la diffusion de rayonnement et la microscopie électronique, nous proposons une combinaison de six approches expérimentales (rhéologie, spectroscopie diélectrique, diffusion dynamique de la lumière, résonance magnétique nucléaire, corrélation de photons X, diffusion quasi-élastique des neutrons ) afin de cerner le caractère multi-échelle de la dynamique de ces nanocomposites, permettant de comprendre les relaxations dissipatives.
Résultats : Premières mesures de la mobilité des charges dans un nanocomposite par des techniques de diffusion de la lumière. Les résultats permettent de relier de manière directe la dynamique microscopique des charges et les propiétés mécaniques macroscopiques.
Perspectives : Développement d'un nouveau système modèle permettant de mélanger la silice hydrophile et le polymère hydrophobe en utilisant différent agents de recouvrement. Cela nous permettra de contrôler la contribution interfaciale, et éventuellement la dispersion des charges dans la matrice.
Publications et brevets : 1. «International workshop on Nanocomposites and Polymer Dynamics«, Montpellier, 22-24 Juin 2015. Comité d'organisation local: A.C. Genix, J. Oberdisse and C. Eve. Environ 50 participants.