Développement et application d'un matériau composite plastique renforcé-microparticules pour l'injection de polymères

1. Présentation du concept

Des composites en polypropylène (PP) dans lesquels sont incorporées des particules d'argile de taille micrométrique sont synthétisés par mélange en solution. La rigidité des microparticules et la ductilité de la matrice polymère permettent de mouler de petites pièces plastiques résistantes aux impacts mais aussi d'absorber les chocs par des déformations élastiques.
Cependant, le PP et les particules de micro-argile ont des propriétés chimiques opposées et ont tendance à former des phases séparées.
Pour permettre leur mélange, des fonctionnalisations sous forme de molécules organiques sont greffées sur les deux produits. L'anhydride maléique (MA) a été greffé sur le PP avec des chaînes de carbone courtes pour former le PP-g-MA. L'octadécylamine et le 3-aminopropyltriéthoxysilane (APTES) ont été greffés sur la micro-argile. Les groupes MA sur le PP réagissent par une réaction d'amidation avec les groupes amino sur la micro-argile pour former des liaisons chimiques qui lient fortement le polymère aux microparticules.
Le prix élevé des micro-argiles et leur tendance à s'agglomérer (ce qui conduit à des défauts mécaniques) motivent à n'en incorporer que de petites quantités dans le composite.

Une façon d'obtenir un composite rigide avec des quantités plus faibles de micro-argile consiste à former plus de liaisons chimiques entre le PP-g-MA et la micro-argile.
Pour cette étude, 8.6 % en poids de MA est greffé sur le PP donc théoriquement, seulement 20 % en poids de la microargile fonctionnalisée est suffisante pour réagir avec tout le MA.

2. Résultats

Optimisation de la liaison chimique

La réaction d'amidation entre le PP-g-MA et la micro-argile est optimisée en utilisant un catalyseur comme le N,N'- dicyclohexylcarbodiimide (DCC) ou le butoxyde de titane (Ti(OBu)4).

L'avancement de la réaction est analysée à travers l'évolution de la quantité de MA (et d'acide maléique formé par l'hydrolyse du MA) qui diminue lors de la réaction avec les fonctionnalisations sur la micro argile.

L'incorporation de 20 % en poids de micro-argile dans le PP-g-MA et l'utilisation de DCC comme catalyseur ont montré la plus grande diminution des quantités de MA et d'acide maléique ; seulement 2,7 % en poids des molécules fonctionnelles n'ont pas réagi.
des molécules fonctionnelles n'ont pas réagi (voir Figure 1). Le PPg- MA a d'abord été traité avec de la pyridine dans de l'eau pour hydrolyser les molécules de MA en acides maléiques, qui réagissent plus efficacement avec les fonctionnalisations de microclayes.

Renforcement mécanique

Le module d'Young et la dureté du composite sont déterminés par nano-indentation. La rigidité du composite montre une corrélation avec la quantité de micro-argile incorporée mais aussi avec le catalyseur utilisé pour améliorer la réaction d'amidation.

Figure 1 : Évolution des acides MA et maléique en fonction de la teneur en micro-argile et de l'utilisation de l'argile.

Figure 2 : Rigidité du composite améliorée par l'optimisation de l'amidation. l'optimisation de l'amidation

Des augmentations de rigidité de 76% et 64% (par rapport au PP-g- MA) sont observées lorsque le Ti(OBu)4 et le DCC sont respectivement utilisés comme catalyseurs pour 20 % en poids de micro- argile incorporée dans le PPg MA (voir Figure 2). Ces résultats sont proches des 81% obtenus pour 35 % en poids de micro-argile lorsqu'aucun catalyseur n'est utilisé.

Conclusion

Le PP-g-MA est renforcé avec succès par de la micro-argile en réalisant une réaction d'amidation entre leurs molécules fonctionnelles respectives. La réaction est optimisée en utilisant la pyridine dans l'eau pour transformer le MA en acide maléique. Ensuite, le DCC est utilisé comme catalyseur pour la réaction d'amidation, ce qui entraîne la formation de liaisons chimiques fortes entre le PP-g- A et la micro-argile.

Cette optimisation est équivalente en termes de rigidité à l'introduction d'une plus grande quantité d'argile dans le composite, mais elle est moins chère et évite les défauts du produit dus à l'agglomération de la micro-argile. Cependant, ce composite rigide est fragile en raison de la faible intercalation des chaînes carbonées courtes du PP-g-MA. Ce problème peut être résolu en ajoutant du PP avec des chaînes de carbone plus longues qui agit comme une matrice autour des petites chaînes de carbone pour éviter leur délamination.