Titre de l'écran-titre (visionné le 27 septembre 2023) / Avec le développement toujours croissant des sciences et des technologies, ainsi que de la prise de conscience sociale, de plus en plus d'exigences sont imposées à la production et aux propriétés de tous les matériaux, en particulier les mousses polymériques. En particulier, les mousses de caoutchouc, comparées aux mousses thermoplastiques en général, ont une plus grande flexibilité, une résistance à l'abrasion, des capacités d'absorption d'énergie, un meilleur rapport résistance-poids et une résistance à la traction plus élevés, ce qui conduit à leur utilisation généralisée dans plusieurs applications telles que l'isolation thermique, l'absorption d'énergie, les capteurs de pression, les absorbants, etc. Pour contrôler la microstructure des mousses de caoutchouc conduisant à d'excellentes propriétés physiques et mécaniques, deux types de paramètres jouent un rôle important. La première catégorie est liée à la formulation, y compris le caoutchouc (type et grade), ainsi que le type et la teneur en accélérateurs, charges et agents moussants. La deuxième catégorie est associée aux paramètres de fabrication tels que le procédé de mise en œuvre (injection, extrusion, compression, etc.), ainsi que différentes conditions liées au moussage (température, pression, nombre d'étapes et temps). Dans ce travail, l'effet de ces différents paramètres liés à la formulation et aux conditions de moussage sur les propriétés morphologiques, mécaniques physiques et thermiques des mousses de caoutchouc/élastomères est étudié. Le projet est divisé en deux parties principales en fonction des types de matrices : les élastomères polyoléfiniques (POE) et le caoutchouc naturel (NR). Tout d'abord, l'effet de différents agents moussants à base d'azodicarbonamide (ADC) est examiné dans les mousses POE et 4 phr (parties par cent caoutchouc) est sélectionné comme, concentration optimale en fonction du meilleur comportement morphologique et du point de vue économique. Ensuite, l'effet de la température de moulage, comprenant la température moyenne (T[indice avg]) et la différence de température (ΔT), sur la morphologie, les propriétés mécaniques (traction, compression et dureté) et la conductivité thermique des mousses POE est étudié. Deux séries d'échantillons sont produites en fixant T[indice avg] avec différents ΔT ou en fixant différents ΔT conduisant à différentes T[indice avg]. Les analyses morphologiques ont montré que deux ou trois régions à l'intérieur des mousses sont produites en fonction des conditions de moulage, chaque région ayant une structure cellulaire différente en termes de taille de cellule, densité de cellules et géométrie de cellules. Les résultats montrent une plage de densité (0,55-0,72 g/cm³), de module de traction (0,44-0,70 MPa) et de module élastique de compression (0,35-0,71 MPa) avec une conductivité thermique comprise entre 0,125 et 0,180 W/m.K. Dans la deuxième partie du projet, la teneur optimale en agent moussant p,p'-oxybis(benzène-sulfonyle hydrazide) (OBSH), la température et le temps de moussage sont obtenus respectivement à 6.5 phr, 150°C et 36 min pour les mousses NR préparées avec 40 phr de noir de carbone (CB). Ensuite, l'influence du remplacement du CB par des nanoparticules de silice (SiO₂) recyclées est étudiée. La concentration totale de nanocharges est fixée à 40 phr, tandis que le rapport CB/silice est modifié de 40/0 à 0/40. La mousse NR basée sur un système hybride (20/20) produit une structure plus homogène, améliorant l'étape de nucléation des cellules, conduisant à la plus petite taille de cellule (18 µm) et à la densité de cellule la plus élevée (8,8×10³ cellules/mm³) en raison de l'interaction réduite entre les charges et d'une meilleure dispersion des particules. Cette morphologie cellulaire améliorée génère des performances mécaniques et d'isolation thermique supérieures, y compris le module de compression le plus élevé (2,7 MPa), la résistance à la compression (1,9 MPa) et la résilience (96,6%) combinées avec la conductivité thermique la plus faible (0,114 W/m.K) à une densité de 0,652 g/cm³. Néanmoins, la mousse avec 40 phr de silice présente un module de compression (26%) et une résistance à la compression (15%) plus élevés par rapport à l'échantillon de référence ayant 40 phr de CB, principalement en raison de sa densité de réticulation plus élevée. Enfin, la silice recyclée, étant une alternative appropriée et durable au CB à base de pétrole, montre des propriétés mécaniques et d'isolation thermique supérieures par rapport à une qualité commerciale de silice pour les mousses NR. / With the ever-increasing development in science and technology, as well as social awareness, more requirements are imposed on the production and property of all materials, especially polymeric foams. In particular, rubber foams, compared to thermoplastic foams in general, have higher flexibility, resistance to abrasion, energy absorption capabilities, improved strength-to-weight ratio and tensile strength leading to their widespread use in several applications such as thermal insulation, energy absorption, pressure sensors, absorbents, etc. To control the rubber foams microstructure leading to excellent physical and mechanical properties, two types of parameters play important roles. The first category is related to formulation including the rubber (type and grade), as well as the type and content of accelerators, fillers and foaming agents. The second category is associated to processing parameters such as the processing method (injection, extrusion, compression, etc.), as well as different conditions related to foaming (temperature, pressure, number of stage and time). In this work, the effect of different parameters related to the formulation and foaming condition on the morphological, mechanical, physical and thermal properties of rubber/elastomer foams is investigated. The project is divided into two main parts depending on the rubber matrix: polyolefin elastomers (POE) and natural rubber (NR). Firstly, the effect of different azodicarbonamide (ADC) as foaming agent is examined in the POE foams and 4 phr (parts per hundred rubber) is selected as optimum concentration based on better morphological behavior and economical aspect. Then the effect of molding temperature, including the average temperature (T[subscript avg]) and temperature difference (ΔT), on the POE foams morphology, mechanical properties (tensile, compression and hardness) and thermal conductivity is studied. Two series of samples are produced by fixing T[subscript avg] with different ΔT or setting different ΔT leading to different T[subscript avg]. The morphological analyses showed that two or three regions inside the foams are produced depending on the molding conditions, each region having different cellular structure in terms of cell size, cell density and cell geometry. The results show a range of density (0.55-0.72 g/cm³), tensile modulus (0.44-0.70 MPa) and compression elastic modulus (0.35-0.71 MPa) with a thermal conductivity between 0.125 and 0.180 W/m.K. In the second part of project firstly the optimum p,p'-oxybis(benzene-sulfonyl hydrazide) (OBSH) content as foaming agent, foaming temperature and foaming time are obtained as 6.5 phr, 150°C and 36 min, respectively, for NR foams prepared with 40 phr of carbon black (CB). Afterwards, the effect of replacing CB by recycled silica (SiO₂) nanoparticles is studied. The total nanofillers concentration is fixed at 40 phr, while the CB/silica ratio is changed from 40/0 to 0/40. The NR foam based on a hybrid system (20/20) produces a more homogeneous structure improving the cell nucleation step leading to the smallest cell size (18 µm) and highest cell density (8.8×10³ cells/mm³) due to reduced filler-filler interactions and better particles dispersion. This improved cellular morphology generates superior mechanical and thermal insulation performance, including the highest compression modulus (2.7 MPa), compressive strength (1.9 MPa) and resilience (96.6%) combined with the lowest thermal conductivity (0.114 W/m.K) at a density of 0.652 g/cm³. Nevertheless, the foam with 40 phr silica displays higher compressive modulus (26%) and compression strength (15%) compared to the reference sample having 40 phr CB, mainly due to its higher crosslink density. As a final comparison, the recycled silica, being a suitable and sustainable alternative to petroleum-based CB, shows superior mechanical and thermal insulation properties compared to a commercial grade of silica for NR foams.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/125566 |
| Date | 13 October 2023 |
| Creators | Rostami-Tapeh-Esmaeil, Ehsan |
| Contributors | Rodrigue, Denis |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxv, 201 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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