Le matériaux polymère : de l'isolant au conducteur thermique.

Le matériaux polymère : de l'isolant au conducteur thermique.

Thèses (Ph.D.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2003. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Ce travail est consacré au développement de biocomposites de caoutchouc naturel (NR) performants pour produire des composites ayant des propriétés similaires aux formulations conventionnelles à base de noir de carbone (CB). Le projet est divisé en deux parties principales selon les types de charges: les charges lignocellulosiques de taille macro et la nanocellulose. Dans un premier temps, le remplacement du CB par de la lignine et de la cellulose (avec et sans modification) est étudié. Les résultats montrent que la lignine et la cellulose ont leurs propres avantages et limites, mais le remplacement partiel du CB par les deux macro-biocharges peut fournir de meilleures propriétés mécaniques et dynamiques par rapport au CB seul. Néanmoins, des propriétés améliorées sont également obtenues après une modification de surface de la cellulose par de l'anhydride maléique greffé sur du polyisoprène (MAPI). Cependant, il n'est pas possible de remplacer complètement le CB par ces charges en raison des fortes interactions entre les charges. Ensuite, l'effet de la nanocellulose sur le renforcement du NR est étudié. Ce travail comprend également un système de renforcement hybride à base de nanocellulose et de nanotubes de carbone (CNT) qui montre la formation d'un réseau conducteur 3D solide à l'intérieur de la matrice de caoutchouc. La présence de ce réseau conduit à d'excellentes propriétés (propriétés mécaniques dynamiques et conductivité thermique) qui peuvent être facilement contrôlées en ajustant la teneur en charges. Enfin, un nouveau système hybride contenant de la lignine et de la nanocellulose a été développé pour renforcer le NR. Dans ce cas, une concentration élevée (40 parties pour cent de caoutchouc, phr) de lignine est utilisée comme biocharge non-renforçante pour réduire les coûts et augmenter la durabilité, tandis que la nanocellulose est ajoutée pour renforcer ces biocomposites NR. On constate que l'ajout de 7,5 phr de nanocellulose aux composés lignine/NR (contenant 40 phr de lignine) augmente la teneur en caoutchouc lié (37%), la résistance à la traction (36%) et le module à 100 % de déformation (101%), tout en diminuant le temps de durcissement (14%) et le facteur de perte (55% à 10% de déformation). Malgré sa biodégradabilité et sa durabilité, le bionanocomposite nanocellulose/lignine/NR présente des propriétés mécaniques similaires et même de meilleures propriétés mécaniques dynamiques (53% à 10% de déformation) que les composites NR conventionnels renforcés avec du CB seul. / This work is devoted to the development of high-performance natural rubber (NR) biocomposites to produce composites having similar properties as conventional formulations based on carbon black (CB). The project is divided into two main parts depending on the types of fillers: macro-sized lignocellulosic fillers and nanocellulose. Firstly, the effect of replacing CB by lignin and cellulose (with and without modification) is studied. The results show that both lignin and cellulose have their own advantages and limitations, but partial replacement of CB with both macro-biofillers can provide better mechanical and dynamic mechanical properties compared to CB alone. Nevertheless, improved properties are also obtained after surface modification of the cellulose with maleic anhydride grafted to polyisoprene (MAPI). However, it is not possible to completely replace CB with these fillers due to strong filler-filler interactions. Then, the effect of nanocellulose on NR reinforcement is studied. This work also includes a hybrid reinforcing system based on nanocellulose and carbon nanotube (CNT) which is showing the formation of a strong 3D conductive network inside the rubber matrix. The presence of this network leads to excellent properties (mechanical and dynamic properties, and thermal conductivity), which can be easily controlled by tuning the fillers content ratio. Finally, a novel hybrid system containing lignin and nanocellulose is developed to reinforce NR. In this case, a high concentration (40 parts per hundred rubber, phr) of lignin is used as a non-reinforcing biofiller to reduce the costs and increase the sustainability, while nanocellulose is added to reinforce these NR biocomposites. It was found that adding 7.5 phr of nanocellulose to the lignin/NR compounds (containing 40 phr lignin) increased the bound rubber content (37%), tensile strength (36%) and modulus at 100% strain (101%), while decreasing the curing time (14%) and loss factor (55% at 10% strain). Despite its biodegradability and sustainability, the nanocellulose/lignin/NR bionanocomposite exhibits similar mechanical properties and even better dynamic mechanical properties (53% at 10% strain) than conventional NR composites reinforced with CB alone.

Thèses (M.Env.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1997. / Titre de l'écran-titre (visionné le 25 août 2006). Publié aussi en version papier.

Ce projet a pour objectif d'étudier la possibilité de déminéralisation par voie physique d'un noir de carbone issu de la pyrolyse sous vide des pneus usagés. Une déminéralisation est nécessaire pour produire un noir de carbone pur et de composition constante en vue de sa commercialisation. Dans un premier temps, la caractérisation minéralogique du noir de carbone pyrolytique, par divers outils analytiques, a permis d'identifier trois composés inorganiques : la sphalérite (ZnS), la zincite (ZnO) et la silice (SiO2) plus minoritaire. Des analyses microscopiques ont permis de mettre en évidence une très faible libération de cette matière inorganique du noir de carbone. La séparation gravimétrique a été testée pour séparer les composés zinciques du noir de carbone, mais n'a pas été concluante à cause de la faible libération. Des tests de flottation ont été réalisés, ils ont permis l'étude statistique des paramètres opératoires ainsi que l'obtention d'une récupération maximale de 67% de noir de carbone et d'une teneur minimale de 11.6 % en matière inorganique.

Nous avons visualisé et quantifié, grâce à un rhéomètre transparent contra-rotatif, les mécanismes de dispersion (érosion et rupture) d'un amas de noir de carbone dans une matrice élastomère soumise à un cisaillement simple. Des lois de dispersion ont été déterminées: la rupture est caractérisée par une contrainte critique de rupture qui s'avère être inversement proportionnelle à la taille de l'amas, l'érosion est définie par une loi reliant le volume érodé à la contrainte et à la quantité de déformation appliquées, loi qui ne dépend pas de la taille de l'amas. L'effet de paramètres clés pour la dispersion (infiltration, concentration) a été étudié. Une infiltration partielle de l'amas par la matrice ou la concentration en charge (via la fréquence de collision) accélèrent l'érosion. Un modèle de dispersion a été construit. Il permet de prédire l'évolution de la taille d'un amas de noir de carbone au cours du mélangeage et peut être utilisé pour optimiser la dispersion en mélangeur.

Récemment, les constructeurs automobiles se sont intéressés au développement des catalyseurs appelés quatre voies, destinés à diminuer simultanément les émissions polluantes des moteurs diesels par l'intermédiaire d'un seul monolithe catalytique. Dans cet objectif, plusieurs études ont montré que la capacité de stockage des NOx de ces catalyseurs est inhibée par la présence de suies. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans la compréhension des phénomènes en cause. Les résultats obtenus montrent que la présence de noir de carbone entraîne une diminution de la stabilité des nitrates adsorbés par les systèmes catalytiques étudiés et, ainsi, de leur capacité de stockage des NOx. Ce phénomène a été attribué à une réduction des espèces nitrates adsorbées à la surface des matériaux par les particules de carbone adjacentes. La présence d'une particule Pt à proximité d'un site de carbone favorise la formation de complexes oxygénés de surface, limitant l'effet réducteur du carbone envers les nitrates adsorbés. La perte de capacité d'adsorption des NOx des catalyseurs étudiés, observée lors de leur mise en contact avec du noir de carbone, s'est révélée irréversible à l'issue de l'oxydation du carbone. La caractérisation des matériaux par microscopie à transmission (MET) a révélé une modification importante de la structure des matériaux. Un frittage des particules de platine et une modification de la structure des particules de Ba entraînent en effet la perte irréversible de l'activité des matériaux vis-à-vis de l'adsorption des NOx.

La cellulose, composé organique le plus courant et polysaccharide le plus abondant sur Terre, est une ressource naturelle très importante. Les initiatives pour remplacer totalement ou partiellement les polymères pétrochimiques conventionnels avec des bio-polymères à base de cellulose ont donc attiré l'intérêt des chercheurs ces dernières décennies, non seulement parce que la cellulose est renouvelable et biodégradable, mais aussi en raison de ses propriétés intéressantes telles que la biocompatibilité et la stabilité chimique. De plus, les propriétés de cellulose peuvent être encore améliorées par des procédés chimiques, des modifications physiques ou en préparant des composites avec des charges fonctionnelles.Les études concernant d'étudier plusieurs aspects fondamentaux comme la dissolution de la cellulose afin de produire des matériaux et le test de nouveaux concepts autour de la modification de surface ou des revêtements, à l'échelle du laboratoire. Nous présentons dans ce manuscrit nos travaux concernant la caractérisation de solutions de cellulose dans deux solvants différents (hydroxyde de sodium aqueux et un liquide ionique) et la préparation de deux nouveaux types de matériaux à base de cellulose (un matériau hybride cellulose-amidon et un composite cellulose-noir de carbone), qui sont tous les deux préparés à partir de ces solutions de cellulose.

Une exposition aux nanoparticules (NP) de dioxyde de titane (TiO2) peut entraîner un remodelage matriciel, dans lequel la Matrix Metalloprotéase-1 (MMP-1) notamment pourrait jouer un rôle important. Pour vérifier cette hypothèse, nous avons 1/ mesuré l' expression de la MMP-1 sur des fibroblastes pulmonaires humains après exposition à des particules de TiO2 de différentes tailles, formes et variétés cristallines, ainsi qu' une NP de noir de carbone (NC), et 2/ administré des NP de TiO2 et de NC sur un modèle d‟emphysème pulmonaire induit par l' élastase chez le rat. Sur les fibroblastes pulmonaires humains, certaines NP de TiO2 induisent l' expression de la MMP-1 via l' interleukine-1β (IL-1β) et augmentent son activité. Les particules de TiO2 micrométriques induisent l' expression de la MMP-1 sans lien avec l' IL-1β et les NP de NC ne modulent pas l' expression de la MMP-1. L' exposition des rats aux NP de TiO2 n' entraîne pas d' effet ; l' exposition aux NP de NC entraîne une inflammation et une induction de l' expression de la MMP-12. Cette exposition aggrave, de plus, l' inflammation provoquée par l' élastase, ce qui n' est pas observé avec les NP de TiO2. Au total, notre travail montre bien un rôle pour les NP de TiO2 dans le remodelage matriciel, via l' induction et l' activation de la MMP-1 in vitro. In vivo, les NP de NCpeuvent aggraver ceertaines réponses à l' élastse. La composition chimique et la taille des particules semblent être des déterminants importants de leurs effets.