Analyse et influence de la dispersion des nanotubes de carbone dans les nanocomposites

Les nanotubes de carbone multifeuillets 

Les nanotubes de carbone étudiés dans ces travaux sont des nanotubes de carbone multifeuillets (MWNT) de dénomination commerciale GraphistrengthÆ produits par la société Arkema. Ces nanotubes de carbone sont fournis sous forme brute ainsi qu’en prédispersion dans des polymères ou pré-polymères (fonction du type de nanocomposite visé). 

Nanotubes multifeuillets GraphistrengthÆ 

Les nanotubes GraphistrengthÆ correspondent à des nanotubes de carbone à parois multiples (MWNT). Leur procédé de synthèse est un procédé continu par dépÙt physique en phase gazeuse (CCVD : Catalytic Chemical Vapor Deposition). Cette synthèse à lieu dans un réacteur de type lit fluidisé o˘ de l’éthylène est mis en contact avec des particules de catalyseurs (Figure 1). L’éthylène va alors se décomposer au contact de ces particules et se graphitiser sous forme tubulaire à leur surface du catalyseur sous forme de nanotubes MWNT (Figure 2). La croissance du nanotube s’arr’te lorsque la couche de carbone est telle que l’éthylène ne peut plus entrer en contact avec le catalyseur. En raison de leur procédé de production, les MWNT se trouvent sous la forme d’une poudre noire au sein de laquelle les nanotubes sont agglomérés, en pelotes de quelques centaines de micromètres de diamètre (Figures 3 et 4). Tous les MWNT de la gamme GraphistrengthÆ sont des nanotubes de carbone non fonctionnalisés. La pureté de ces nanotubes est de plus de 90 % en masse. Ces MWNT présentent un diamètre extérieur moyen de 12 nm et un diamètre intérieur moyen de 5 nm. La densité d’un de ces MWNT est proche de 2,2. Ces nanotubes présentent des longueurs très variables allant de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres. Les poudres font l’objet de multiples précautions au sujet de leur manipulation : – Restriction de l’accès aux zones exposées – Manipulation en espaces clos avec système de filtration des particules submicroniques – Equipements de protection individuelle (EPI) pour les techniciens au contact des nanotubes : masque haute performance, gants, combinaison et bottes étanches Aussi ces poudres de nanotubes ne sont pas distribuées sous leur forme brute à moins que toutes les conditions de sécurité en vue de la manipulation de ces produits ne soient remplies. La distribution de la longueur des MWNT observés après aérosolisation et collection sur une grille de MET (mesures effectuées à l’aide du dispositif de collection présenté en chapitre 3), est représentée sur la Figure 5 (pour plus de lisibilité, chaque nanotube de carbone est décompté dans la centaine de nanomètres la plus proche de sa longueur mesurée)

Pré-dispersion de nanotubes de carbone 

Pré-dispersion de MWNT dans le pré-polymère

 Afin de réaliser des nanocomposites à matrices thermodurcissables polyépoxyde, les MWNT GraphistrengthÆ sont disponibles sous la forme de pré-dispersion avec 75 % en masse de pré-polymère de diglycidyl éther du bisphénol A (DGEBA) et de 25 % en masse de MWNT (appellation commerciale C S1-25). Le pré-polymère DGEBA permet l’utilisation de cette pré-dispersion avec la plupart des systèmes réactifs de polymères thermodurcissables polyépoxyde mais également avec d’autres thermodurcissables à base d’esters ou d’acryliques. Le pré-polymère DGEBA, liquide visqueux à température ambiante, se trouve sous la forme de granules solides déformables après ajout de MWNT à hauteur de 25 % en masse. Cette pré-dispersion est destinée à ‘tre diluée avec d’autres monomères. Le prémélange dilué est alors associé à un composé chimique réactif qui permettra qu’un réseau polymère se forme par réaction de polymérisation entre le monomère DGEBA et le comonomère diamine. Pour ce type de matrice thermodurcissable, un taux final de nanotubes de carbone compris entre 0,1 et 2 % en masse sera recherché.

Pré-dispersion de MWNT dans le polyamide 

 Pour les nanocomposites à matrice thermoplastique, les MWNT GraphistrengthÆ sont disponibles sous la forme de pré-dispersion avec 80 % en masse de polyamide 11 et de 20 % de MWNT (dénomination commerciale C M3-20). La pré-dispersion est alors considérée sous la forme de granulés solides à température ambiante. Cette pré-dispersion est destinée à ‘tre diluée dans le polyamide 11 afin d’obtenir un taux de nanotubes de carbone final entre 1 et 5 % en masse dans les nanocomposites. La dilution s’effectue alors en voie fondue.