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Nanocomposites sous contrainte uniaxiale : anisotropie et hétérogénéité dynamiques

publié le , mis à jour le

Lorsque la fraction volumique de particules solides est très faible (< 1%), les propriétés mécaniques d’un nanocomposite ne sont pratiquement pas affectées. En revanche ces particules peuvent jouer le rôle de sonde pour caractériser la dynamique des chaînes de polymère sous contrainte. Des chercheurs du laboratoire, en collaboration avec des collègues grenoblois et étrangers, ont étudié la dynamique des chaînes d’un élastomère soumis à une contrainte de traction, par spectrométrie de speckles en rayons X (XPCS). Les fonctions de corrélation à 2 temps déterminées dans les directions parallèle et perpendiculaire à celle de la contrainte, mettent en évidence anisotropie et hétérogénéités dynamiques.

Les ”particules “ sonde (< 1%) utilisées sont des agrégats fractals de silice pyrogénique ou de noir de carbone dispersées dans l’élastomère. Les fonctions de corrélation déterminées dans les directions parallèle et perpendiculaire à la contrainte d’élongation (8%) mettent en évidence une dynamique des particules sonde plus lente dans la direction de l’élongation que dans la direction perpendiculaire. Ce résultat indique une mobilité des chaînes étirées plus faible que celle des chaînes non étirées (direction perpendiculaire). Dans les deux cas, le temps de relaxation varie en q-1. Cette dépendance est caractéristique des matériaux vitreux mous (soft glassy materials) et souvent accompagnée d’hétérogénéités dynamiques. La présence d’un pic dans la variation de la variance de la fonction de corrélation le confirme. La hauteur de ce pic varie en fonction de q suivant une loi de puissance. Il apparaît que cette variation dépend de la morphologie des “particules “ contrairement à ce qui est attendu pour des particules sonde dont la dynamique est supposée contrôlée par celle des chaînes de polymère. Ce résultat révèle une modification de la dynamique des chaînes au voisinage des agrégats fractals. En fait, ce phénomène est très connu, bien qu’encore mal compris, dans le cas des élastomères renforcés dans lesquels la fraction volumique de nanoparticules est beaucoup plus élevée (30 à 40%). Il s’agit du polymère lié (ou occlus) qui joue un rôle essentiel dans les propriétés mécaniques dynamiques de ces matériaux (dont les pneus). L’étude montre que cette méthode expérimentale (XPCS) permettra d’aller beaucoup plus loin dans l’analyse de la formation et des caractéristiques de cette ”interphase” qui dépend de la morphologie des particules renforçantes, de leur interaction avec la matrice et de la contrainte mécanique.

Voir en ligne : Anisotropic and heterogeneous dynamics in stretched elastomer nanocomposites. F. Ehrburger-Dolle, I. Morfin, F. Bley, F. Livet, G. Heinrich, Y. Chushkin and M. Sutton, Soft Matter, 2019, 15, 3796 – 3806.