Etude des mécanismes de dispersion et de structuration multi-échelle de nanotubes de carbone dans une matrice polyéthylène sous sollicitation thermique et mécanique

A study of the electrical conductivity evolution of polyethylene filled with carbon nanotubes during quiescent annealing as well as under shear deformation is proposed in this work. For such nanocomposites, the electrical conductivity can be theoretically obtained at filler content lower than 1 %. This material containing a percolated network can be used in industrial applications as protection from electrostatic discharge. Hence, CNTs filled materials can advantageously replace polymer-carbon black composites which contain usually around 20 wt. % of fillers. However, during forming process, the structure created by CNTs connections is strongly modified by the applied stress, possibly resulting in an insulating final product. This study investigates the filler network structuring and destructing mechanisms that occurs during processing steps by means of conductivity monitoring. The dynamic percolation was studied in the first instance to evaluate the extent of the CNT network strengthening ability in the melt polymer. In the case of semi-crystalline polymer, the composite morphology is modified during the cooling by the apparition of a crystalline phase. The disruption of the conducting network by the polyethylene crystallization process has then been considered more especially as the CNT present a certain nucleating character. Finally, combined rheological and electrical measurements were performed to study the shear-induced fillers network modification. A kinetic equation is proposed to follow the effective CNT content and therefore predict the conductivity evolution during and after a shear deformation. As a result, this work contributed to deepen the comprehension of the thermo-rheological history influence on the conductivity of polymer-CNT composites.Les travaux présentent une analyse de l’évolution de la conductivité électrique de composites à matrices polyéthylène chargées en nanotubes de carbone (NTCs) lors de recuits thermiques et durant des déformations par cisaillement. L’ajout d’une quantité suffisante de NTCs dans une matrice polymère permet d’obtenir une conductivité électrique suffisante pour être utilisée dans des applications de protection aux décharges électrostatiques. L’utilisation des NTCs s’avère particulièrement intéressante, du fait de leurs facteurs de forme, car seulement une faible quantité (autour d’un pourcent) est nécessaire à la formation un réseau percolant de charges, responsable de la conduction électrique. Cependant, les étapes de mise en forme peuvent changer l’arrangement des charges, modifiant alors les propriétés électriques du matériau. Les mécanismes de structuration et de destruction du réseau percolant ont été étudiés par l’intermédiaire de mesure de conductivité. La portée du phénomène d’auto-assemblage du réseau dans le polymère à l’état fondu a été évaluée. Aussi appelée dans la littérature percolation dynamique, cet effet permet d’améliorer la conductivité du composite ainsi que de réduire le seuil de percolation. Lors du refroidissement du composite, la morphologie du matériau est modifiée avec l’apparition d’une phase cristalline. La cristallisation de la matrice conduit à une perte de conductivité rendant compte de la dégradation du réseau de charge. Finalement, un montage couplant une mesure rhéologique avec une mesure électrique a été utilisé dans l’objectif d’analyser les processus structurants s’opérant pendant et après un écoulement en cisaillement. La concurrence des mécanismes de création et de destruction de contacts électriques entre charges a pu être observée. Un modèle permettant de prédire l’évolution de la conductivité des composites à l’état fondu pendant et après la déformation en cisaillement est proposé