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Polymères nanocomposites

Polymères nanocomposites

Depuis plusieurs années, l’utilisation de nanocomposites pour l’amélioration de la tenue au feu des matériaux polymères est motivée par une demande croissante du secteur de la plasturgie et par la mise au point de solutions d’ignifugation sans halogènes, visant à remplacer les systèmes habituellement en usage dont certains composants sont désormais interdits par la réglementation ou en passe de l’être. Si l’incorporation d’argiles nanométriques dans les polymères n’est pas nouvelle, notre démarche présente l’originalité de faire appel à des nanoparticules d’oxydes métalliques comme composants des systèmes retardateurs de flamme. Nous avons été ainsi précurseurs dans ce domaine. Ces travaux ont été conduits en grande partie sur un système modèle bâti à partir d’un polymère aisément fonctionnalisable : le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA), mais également sur le polystyrène (PS) dans le cadre de deux thèses. Leur finalité est à la fois fondamentale (compréhension des modes d’action des retardateurs de flammes, des effets synergiques entre composants des systèmes envisagés) et appliquée (fournir aux industriels du secteur de la plasturgie des solutions d’ignifugation adaptées à leur domaine d’utilisation).

L'activité est menée en collaboration étroite avec le Centre des Matériaux de Grande Diffusion de l’Ecole des Mines d’Alès, le Département "Advanced Materials & Structures" du Centre de Recherche Public Henri Tudor au Luxembourg, et a donné lieu à des collaborations industrielles avec Rénolit Belgium (amélioration du comportement au feu d’un copolymère éthylène-propylène et d’un poly(chlorure de vinyle), 2007) et URSA France (remplacement de l’hexabromocyclododécane (HBCD) dans le polystyrène extrudé, 2008-2009).

Résultats significatifs

Exemple

"Tentative links between thermal diffusivity and  fire-retardant properties in poly(methyl methacrylate)emetal oxide nanocomposites", Friederich B., Laachachi A., Ferriol M., Ruch D., Cochez M., Toniazzo V., Polymer Degradation and  Stability, 95 (2010) 1183-1193.

Des nanocomposites PMMA/TiO2, PMMA/Al2O3 et PMMA/AlOOH ont été préparés par voie fondue à différents taux de charge. Des propriétés retard au feu pertinentes ont été obtenues pour des taux de charge élevés (15% en masse). Des relations possibles entre propriétés retard au feu et thermiques (diffusivité thermique, par exemple) ont été proposées pour une meilleure compréhension du mode d'action des oxydes métalliques avec le PMMA. Les mesures ont montré que TiO2 et AlOOH dissipent mieux la chaleur que Al2O3 bien qu’elle ait une surface spécifique nettement supérieure. Les différences entre nanocharges ne sont sensibles qu’à partir de 10% et la stabilité thermique et la diffusivité thermique semble influer sur le temps d’ignition. L'effet de charbonnement est clairement démontré avec le PMMA chargé à 15% d'Al2O3. Nous avons également démontré l'apparition d'un effet barrière du aux particules d'oxyde. Les propriétés mécaniques des nanocomposites PMMA sont manifestement altérées pour des taux de charge élevés. L'évolution du module d'Young a été attribuée à l'effet simultané d’une interphase de faible densité entourant les particules d’oxyde et d’une augmentation de Tg contrebalançant l’action de l’interphase à partir de 10% de taux de charge.