Nanocomposites élastomère-phosphate de zirconium lamellaire : mécanismes de dispersion et mise en oeuvre

This work focuses on the melt processing of nanocomposite materials obtained from a synthetic lamellar filler, α-zirconium phosphate (α-ZrP), dispersed within a synthetic rubber of the SBR type. The first step is the melt compounding using aqueous slurry of α-ZrP without any treatment. Following, several kinds of surface modifiers such as sodium cation, alkylamines and tetrabutylammonium hydroxide and different melt processing conditions are investigated to improve the level of dispersion of ZrP platelets into the matrix. X-ray diffraction, transmission electron microscopy and dynamical mechanical method are used as a multi-scale analysis to quantify the state of dispersion of the filler within the nanocomposite. Several mechanisms of dispersion are described depend on the surface modifying treatment and the melt processing parameters and the structure-properties relationship are studied. A comparison between the material reinforcement and two models of predictions, Krieger-Dougherty and Halpin-Tsai are discussedL'objectif de cette étude est l'élaboration de nanocomposite à base d'un élastomère de styrène et de butadiène (SBR) par l'ajout d'une dispersion aqueuse (slurry) de nanocharges lamellaires de phosphate de zirconium en phase α (α-ZrP ou ZrP). Les travaux s'attardent d'abord sur le mélange entre le SBR à l'état fondu et le slurry de ZrP en absence de traitement de surface. Différents stratégies d'élaboration sont ensuite envisagées afin d'améliorer la dispersion (intercalation exfoliation) des feuillets de ZrP dans le matériau en couplant le traitement de surface du ZrP et les paramètres de mise en œuvre. Différents traitements de surface sont abordés avec l'utilisation d'un agent intercalant métallique (Na+), de deux intercalants alkylamines (propylamine, octadécylamine) et d'un agent d'exfoliation (hydroxyde de tétrabutylammonium). En parallèle, plusieurs procédés de mise en œuvre générant des écoulements complexes sont utilisés. La complémentarité entre la diffraction des rayons X (DRX), la microscopie électronique en transmission (MET) et la spectroscopie mécanique (DTMA) permet d'obtenir une analyse multi-échelle de l'état de dispersion du ZrP et de proposer des scénarii décrivant les mécanismes de dispersion en fonction des paramètres étudiés. Un effort important est apporté pour la compréhension de la relation structure à l'échelle nanoscopique et les propriétés macroscopiques du matériau. Une étude comparative est ensuite proposée entre les valeurs expérimentales de l'effet de renforcement des matériaux et les prédictions des modèles Krieger-Dougherty et Halpi-Tsa