Tensile strength-modulus relationships established for postvulcanised latex films have been found to show characteristics of both prevulcanised latex and dry rubber curves. The curves depend upon the accelerator system used, as with dry rubber. They passed through their maxima after which tensile strength fell, with the down-turn less pronounced than for prevulcanised latex but greater than for dry rubber. The results suggest that postvulcanised latex films remain particulate rather than homogeneous. Processes known to affect prevulcanised latex films were applied to postvulcanised latex films. These included stirring and maturation of latex, different conditions for drying films and leaching with water and solvents, but only stirring had a significant effect. Stirring was essential to produce homogeneous latices for films with consistent chemical compositions and physical properties.

Reproduction de : Thèse doctorat : Chimie-physique : Metz : 2002. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliographiques.

La présente étude vise principalement à établir l'influence de paramètres comme la température (180-220°C), la vitesse des rotors (60 et 100 RPM), le type et la concentration de différents agents (estolide, ester di-hexa-décyl maléique, huiles paraffinique et aromatique) sur la dévulcanisation de la poudrette d'éthylène-propylènediène-monomère (EPDM) dans un mélangeur batch et dans une extrudeuse bi-vis. Les résultats montrent que les traitements peuvent conduire à un degré de dévulcanisation significatif (allant jusqu'à 88%) même sans l'ajout d'agent de dévulcanisation. Néanmoins, en fonction des conditions opératoires, il est possible aussi d'obtenir de la réticulation (valeur négative du degré de dévulcanisation) explicable par l'addition de l'agent de dévulcanisation à la chaîne principale ou par le bris préférentiel des liens dans les régions à plus faible densité de ponts de réticulation, ce qui a comme effet la formation des fragments à plus forte densité de réticulation. La deuxième étape du travail est l'étude des mélanges de poudrette avec un élastomère thermoplastique (TPO). Les propriétés mécaniques obtenues suggèrent que les interactions poudrette-agent de compatibilisation ou agent de compatibilisation-TPO ne sont pas fortes et peu nombreuses. Les résultats indiquent que l'éthylène-vinyle-acétate copolymère (EVA) est le meilleur agent de compatibilisation car il possède dans sa chaîne de nombreux groupes fonctionnels susceptibles d'interagir avec la poudrette et le TPO.

Cette thèse a plusieurs objectifs différents. La première est de concevoir de nouveaux composites élastomères charge renforcée sur la base de mélange de deux types d'élastomères différents vulcanisés dans des conditions différentes (température de vulcanisation, système de vulcanisation etc.) afin d'obtenir de meilleures performances de traitement et de propriétés. La deuxième est de caractériser les mélanges nouvellement créées en utilisant différentes méthodes et différentes conditions de fonctionnement. Le troisième est d'étudier la possibilité de remplacer une partie de la charge conventionnelle (noir de carbone) avec de la résine époxy ou l'utilisation de particules fines comme le SiC et Al2O3. Au stade final de la thèse, nous avons proposé des conditions de travail optimales et les applications industrielles. Une proposition très pratique a été donnée pour l'optimisation de la composition pour différentes applications industrielles. À la suite de la recherche à l’échelle industrielle qui est l'objet de cette thèse, nous avons proposé des compositions originales de haute qualité adaptés pour différentes applications. / This thesis has several different aims. First one is to design new filler-reinforced elastomeric composites based on mixing together of two different types of elastomers vulcanized under different conditions (vulcanization temperature, vulcanization system, etc.) in order to obtain better processing and performance properties. Second one is to characterize the newly created mixtures by using variety of methods and different operating conditions. The third one is to investigate the possibility to replace part of the conventional filler (carbon black) with epoxy resin or the use of fine particles as SiC and Al2O3. At the final stage of the thesis, we have suggested the optimal working conditions and industrial applications. A very practical proposal was given for the optimization of the composition for different industrial applications. As a result of the full scale investigation which is the object of this thesis, we have proposed original high quality compositions suitable for different engineering applications.

Les caoutchoucs, ou plus généralement, les polymères subissent de façon néfaste les agressions du milieu environnant au cours de leur utilisation. Deux facteurs sont connus comme étant parmi les plus importants impliqués lors du vieillissement : l’oxygène atmosphérique et les rayonnements UV-visibles solaire, conduisant au phénomène de photo-oxydation. Sachant que le vieillissement dans ce cas est régi par la pénétration de la lumière et la diffusion de l’oxygène, il y a au cours de l’irradiation formation d’une couche d’oxydation sur les premiers microns de la surface du matériau. L’objectif majeur de cette thèse est de mettre en évidence un lien entre l’évolution de la structure chimique et la perte des propriétés mécaniques dans le cadre de matériaux vulcanisés au cours du photo-vieillissement, en présence de charges telles que le dioxyde de titane et un colorant organique, au moyen d’une approche multi-techniques et multi-échelles.Afin d’y parvenir nous avons tout d’abord simplifié le matériau vulcanisé et nous nous sommes focalisés sur la matrice et les charges. Cette première étape nous a permis de déterminer l’influence des charges sur les mécanismes de photo-oxydation des caoutchoucs non vulcanisés, et nous a servi de base à la compréhension des matériaux vulcanisés plus complexes.Dans la deuxième étude, la caractérisation physico-chimique de la couche dégradée formée au cours de l’irradiation des composites vulcanisés a été effectuée. Nous avons par la suite confronté ces résultats avec la chute des propriétés mécaniques observée au cours du vieillissement. Nous avons ainsi mis en évidence une corrélation directe entre la structure chimique liée aux propriétés de la couche oxydée et la chute des propriétés mécaniques. / Rubbers or mostly polymers are exposed to different attacks from the surroundings during their uses. Two factors are known to be among the most important involved during aging: atmospheric oxygen and UV-visible radiation from the sun, leading to the phenomenon of photo-oxidation. Photo-ageing is governed by the light penetration and diffusion of oxygen, which involve the formation of an oxidative layer on the first microns at the surface of the material. The main objective of this thesis is to point out the relationship between the changes in the chemical structure due to the formation of the oxidative layer and the loss of mechanical properties during photo-aging of vulcanised rubber in the presence of fillers such as titanium dioxide and organic dye by means of a multi-techniques and multi-scale approach.To achieve this goal, we first simplified the vulcanized material and we focused only on the matrix and fillers. This first step allowed us to determine the influence of fillers on the mechanisms of photo-oxidation of unvulcanised rubber. This study helped to better understand more complex materials such as vulcanised rubbers. In the second study, we focused on the physic-chemical characterization of the degraded layer formed during irradiation of vulcanised rubber. After that, we compared the results with the loss of the mechanical properties observed during aging. This study highlighted a link between the changes of the chemical structure related to the properties of the oxidized layer and the loss of the mechanical properties.

Cette étude porte sur la régénération thermo-mécanique et mécano-chimique de poudrettes de caoutchouc vulcanisé (SBR et EPDM). De plus, la possibilité d’utiliser la poudrette de SBR pour la production d’un élastomère thermoplastique (TPE) est présentée en utilisant le polystyrène (PS) comme matrice. La régénération des poudrettes a été effectuée dans un mélangeur interne batch à différentes températures et vitesses des rotors. Les résultats ont montré un comportement distinct en fonction de la taille des particules initiales. La variation du temps de traitement a révélé la possibilité d’une réticulation secondaire issue d’un processus distinct de celui de la régénération. Finalement, les expériences effectuées n’ont pas réussi à prouver l’efficacité de l’ajout d’une huile aromatique comme aidant dans la régénération de la poudrette de SBR. Plusieurs mélanges de poudrette de SBR avec le polystyrène ont aussi été dévelopés. L’influence des paramètres de procédé (température, vitesse des rotors, temps d’homogénéisation, ordre d’introduction des composants, proportion de la poudrette, traitement de la poudrette, ajout d’agent couplant à base de SEBS) a été testée. Le grand nombre de paramètres a menée à la création d’une fonction d’optimisation capable de hiérarchiser les différents mélanges produits en fonction de la mesure dont ils répondent aux caractéristiques requises.

Le comportement de deux matériaux réactifs, une formulation élastomère de caoutchouc naturel et un système thermodurcissable polyuréthane (PU), est étudié pour être modélisé. De nombreuses méthodologies sont mises au point dans ce travail pour améliorer les mesures. La cinétique réactionnelle du PU est suivie par calorimétrie différentielle (DSC) et par titrage chimique. L'analyse isoconversionnelle met en évidence trois réactions chimiques formant un réseau tridimensionnel. Le modèle cinétique met en série trois modèles de Piloyan. La cinétique du caoutchouc naturel est suivie par rhéomètrie, par DSC et par gonflement. Le modèle d'Isayev, très simple, donne des résultats satisfaisants mais ignore la réversion. Le modèle de Coran Ding et Leonov, ayant de nombreux paramètres, donne de très bons résultats. La rhéologie est ensuite étudiée. Pour le PU, le couplage cinétique-rhéologie est nécessaire et conduit à une étude rhéocinétique. Le modèle de Castro et Macosko est utilisé. Le caoutchouc naturel, non réactif durant le remplissage, permet de découpler cinétique et rhéologie. Le modèle de Carreau Yasuda est alors utilisé. Le glissement à la paroi est étudié avec la méthode de Mooney et modélisé par un couplage entre une loi de Norton Hoff (glissement) et le modèle de Cross (cisaillement). La sensibilité au traitement thermomécanique est prise en compte par un facteur de glissement énergétique fonction de l'énergie spécifique et de la température matière. La troisième partie valide les modèles et leur implémentation dans un logiciel de simulation de remplissage REM3D. L'injection du PU est réalisée dans un moule transparent. Basés sur la visualisation, le titrage et le suivi de température, les résultats sont en accord avec la simulation au niveau cinétique. Pour le caoutchouc, un moule spirale est utilisé. Dans le moule, les pressions mesurées et calculées sont proches. Un écart apparaît dans la buse et est attribué aux effets élongationnels non pris en compte dans le modèle visqueux utilisé.

Bien que la vulcanisation soit un procédé de réticulation très répandu dans l’industrie du caoutchouc, les mécanismes réactionnels mis en jeu, la structure du matériau formé, et en particulier les environnements chimiques du soufre restent mal connus. Sonder sélectivement les environnements chimiques du soufre par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) pourrait alors apporter de précieuses informations sur la structure locale du matériau. Cependant, les propriétés intrinsèques du seul isotope du soufre observable par RMN (33S) rendent l’étude de son environnement chimique très délicate et nécessitent la mise en oeuvre d’une méthodologie adaptée. Les travaux présentés dans ce manuscrit montrent que l’utilisation simultanée de très hauts champs magnétiques et de méthodes d’acquisitions appropriées peut permettre l’étude de l’environnement chimique du soufre dans les solides par RMN. Des calculs premier principe des paramètres RMN ont été menés et leur comparaison à l’expérience montre qu’il est possible de prédire avec fiabilité les paramètres RMN et d’attribuer les signaux observés à une structure chimique. Les positions et les largeurs des signaux RMN de soufre-33 correspondant à des ponts soufrés ont été calculées à partir de modèles structuraux. Pour de tels environnements, les couplages quadripolaires attendus sont particulièrement forts (CQ > 40 MHz), et donnent lieu à des signaux RMN extrêmement larges dont l’observabilité est évaluée via l’étude du soufre élémentaire. Dans le cas d’élastomères vulcanisés, les résultats de cette étude montrent que l’observation de l’ensemble des différents environnements chimiques du soufre nécessite à priori l’utilisation de très hauts champs magnétiques et de très basses températures. / Sulfur vulcanization is a widely used crosslinking process of elastomers in the rubber industry, but the involved chemical mechanisms and the structure of the crosslinked materials are still poorly understood. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy, which allows selectively probing the sulfur chemical environments, can provide new information about the local structure of the crosslinked material. However, due to its intrinsic properties, the observation of the NMR active isotope of sulfur (33S) is challenging in solid materials and requires the use of a specific methodology. In this work, we show that the use of very high magnetic fields and convenient NMR methods allows studying the chemical environment of sulfur in solid materials. First principle computations of the NMR parameters have been performed and compared to experimental results. This comparison shows that the computations lead to a reliable prediction of the NMR parameters and can be used to assign the observed NMR signals to a chemical structure. The NMR parameters characteristic of sulfur atoms involved in crosslinks have been computed from structural models. For such sulfur local environments, extremely large quadrupolar coupling constants (CQ > 40 MHz) and thus ultra broad resonances are expected. The NMR detection limit of sulfur environments giving rise to such very broad lines has been investigated through the 33S NMR study of elemental sulfur. In the case of vulcanized rubbers, the results of this work suggest that the NMR observation of the distinct sulfur chemical environments present in the crosslinked networks requires the use of both ultra high magnetic field and very low temperature.

La famille des élastomères silicones LSR (Liquid Silicone Rubber) de haute technicité est identifiée comme celle possédant les plus forts arguments de développement au cours des prochaines décennies en raison de leurs propriétés spécifiques et de leurs facilités de mise en forme en grande série. Notamment, le moulage par injection du LSR sur d’autres matières telles que les thermoplastiques ou les métaux est aujourd’hui possible, ce qui ouvre la possibilité d’obtenir des composants multi-matières, multi-couleurs et de nouvelles fonctionnalités. Cette thèse se concentre sur la transformation des élastomères silicones LSR dans le but de mieux appréhender les phénomènes impliqués, afin d’améliorer les procédés d’élaboration et d’optimiser les conditions de transformation des composants élastométriques mono ou bi-matières à géométrie et propriété fonctionnelle bien définie. Les comportements rhéologique, cinétique et thermique des élastomères silicones ont été étudiés et caractérisés sous des conditions réelles de mise en œuvre par différentes méthodes associées. Un modèle thermo-rhéo-cinétique a été développé et ensuite implémenté dans un code de calcul de remplissage Cadmould® pour simuler le moulage par injection des élastomères silicones LSR ou encore le surmoulage de thermoplastiques. Pour la validation des modèles choisis et des paramètres identifiés, les essais d’injection sur l’outillage industrielle instrumenté ont été réalisés et confrontés à des résultats numériques obtenus. Enfin, la caractérisation de l’adhésion et l’adhérence interfaciale entre les thermoplastiques et les élastomères silicones a été réalisé sous différentes sollicitations complexes. De plus, l’évolution d’adhérence interfaciale des assemblages collés au cours de la vulcanisation des élastomères silicones a été caractérisée par l’essai de traction en utilisant un rhéomètre rotatif sous différentes modes de chauffage. / The family of high technology silicone elastomers LSR (Liquid Silicone Rubber) is identified as having the strongest arguments for development in the coming decades due to their unique properties and easy forming in large series. In particular, the injection molding of LSR on other materials such as thermoplastics or metals is possible today, which opens the possibility of obtaining multi-material, multi-color and new features components. The work presented in this thesis focuses on the transformation of silicone elastomers in order to better understand the phenomena involved, as to improve production processes and optimize processing conditions for mono or bi-material components in geometry and property functional well defined. The rheological, curing kinetic and thermal behaviors of silicone elastomers have been studied and characterized under real conditions of production by different methods combined. A thermo-rheo-kinetic model was then developed and implemented in commercial computer software Cadmould® to simulate the injection molding process of LSR or the overmolding process of LSR on to thermoplastics. For the validation of the models chosen and the parameters identified, the injection molding tests on industrial instrumented tools were performed and compared to numerical results. Finally, the characterization of interfacial adhesion between the thermoplastic and silicone elastomers was carried out under various adhesion tests. Moreover, the evolution of interfacial adhesion in thermoplastic/silicone components during the vulcanization of silicone elastomers has been characterized by the tensile test using a rotating rheometer in different heating cycles

L'òxid de zinc és un compost àmpliament utilitzat en la indústria del cautxú a causa de les excel•lents propietats que mostra com activador per a la vulcanització amb sofre. Malgrat les seves característiques superiors, hi ha una creixent preocupació sobre els seus efectes mediambientals i nombrosos estudis s’han portat a terme per tal de reduir els nivells de ZnO als compostos de cautxú o per a substituir-lo. Entre totes les alternatives propostes per reduir la quantitat d'òxid de zinc, l'ús de nanopartícules de ZnO amb una alta superfície específica sembla prometedor. Una altra proposta per reduir els nivells de ZnO que ha estat estudiada per nombrosos autors és l'ús d'altres òxids metàl•lics, com el CaO, MgO, CdO, CuO, PbO i NiO. En aquest treball, nous activadors amb un reduït contingut de zinc han estat desenvolupats per tal de reduir l'impacte ambiental de la indústria del cautxú. Nanopartícules d'òxids metàl•lics mixtes de zinc i altres metalls s’han sintetitzat per tal de beneficiar-se de la seva grandària i aprofitar-se del comportament tant del ZnO com del MgO a la vulcanització amb sofre. Un altre gran problema mediambiental relacionat amb la indústria del cautxú és la gestió dels compostos de cautxú que han arribat al final de la seva vida útil, especialment de pneumàtics. L'impacte mediambiental dels pneumàtics, juntament amb els problemes econòmics relacionats amb la seva gestió i eliminació, ha donat lloc a una gran varietat d'estudis per desenvolupar tecnologies per a reutilitzar i reciclar els pneumàtics fora d'ús. L'ús de cautxú recuperat o regenerat en mescles amb cautxú verge s’ha investigat per diferents autors. No obstant això, la migració de les substàncies químiques entre el cautxú triturat i la matriu verge no ha estat considerada com un avantatge per tal d'utilitzar el cautxú de pneumàtics fora d'ús com un activador i, per tant, reduir els nivells de zinc emprats en els compostos de cautxú i introduir noves aplicacions per als pneumàtics fora d'ús. Aquest enfocament ha estat investigat en aquesta tesi. / El óxido de zinc es un compuesto ampliamente utilizado en la industria del caucho debido a las excelentes propiedades que muestra como activador para la vulcanización con azufre. A pesar de sus características superiores, existe una creciente preocupación acerca de sus efectos medioambientales y numerosos estudios han sido realizados con el fin de reducir los niveles de ZnO en los compuestos de caucho o para sustituirlo. Entre todas las alternativas propuestas para reducir la cantidad de óxido de zinc, el empleo de nanopartículas de ZnO con una alta superficie específica parece ser prometedor. Otro propuesta para reducir los niveles de ZnO que ha sido estudiado por numerosos autores es el uso de otros óxidos metálicos, como el CaO, MgO, CdO, CuO, PbO y NiO. En este trabajo, nuevos activadores con un reducido contenido de zinc han sido desarrollados con el fin de reducir el impacto ambiental de la industria del caucho. Nanopartículas de óxidos metálicos mixtos de zinc y otros metales han sido sintetizados con el fin de beneficiarse de su tamaño y aprovecharse del comportamiento tanto del ZnO como del MgO en la vulcanización con azufre. Otro gran problema medioambiental relacionado con la industria del caucho es la gestión de los compuestos de caucho que han alcanzado el final de su vida útil, especialmente de neumáticos. El impacto medioambiental de los neumáticos, junto con los problemas económicos relacionados con su gestión y eliminación, ha dado lugar a una gran variedad de estudios para desarrollar tecnologías para reutilizar y reciclar los neumáticos fuera de uso. El uso de caucho recuperado o regenerado en mezclas con caucho virgen ha sido investigado por diferentes autores. Sin embargo, la migración de las sustancias químicas entre el caucho triturado y la matriz virgen no ha sido considerada como una ventaja con el fin de utilizar el caucho de neumáticos fuera de uso como un activador y, por lo tanto, reducir los niveles de zinc empleadas en los compuestos de caucho e introducir nuevas aplicaciones para los neumáticos fuera de uso. Este enfoque ha sido investigado en esta tesis. / Zinc oxide is a widely used compound in rubber industry due to the excellent properties that shows as activator for sulphur vulcanisation. Despite its superior characteristics, there is an increased concern about its environmental effects and several research studies have been carried out in order to reduce the ZnO levels in rubber compounds or substitute it. Between all the alternatives proposed to reduce the ZnO levels, the use of nano-sized ZnO particles with high surface area seems to be promising. Another approach to reduce the ZnO levels that has been studied by many authors is the use of alternative metal oxides, such us CaO, MgO, CdO, CuO, PbO and NiO. In this work, novel activators with reduced zinc content have been developed in order to reduce the environmental impact of the rubber industry. Mixed metal oxides nanoparticles of zinc and other metal have been synthesised with the aim of profiting from its size and to take advantage of the behaviour of both ZnO and MgO in sulphur vulcanisation. Another environmental problem related to the rubber industry is the management of end of life and waste rubber, especially tyres. The environmental impact of waste tyres, together with the economic problems related with the management and disposal, has led to a great variety of studies to develop technologies to re-use and recycle waste tyres. The use of reclaimed or regenerated rubber in blends with virgin rubber has been investigated by different authors. However, the migration of chemicals between the crumb and the matrix has not been considered as an advantage in order to use tyre crumb as an activator and, therefore, reduce the zinc levels employed in rubber compounds and introducing new applications for the waste rubber from end of life tyres. This approach has been investigated in this thesis.