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Résumé
Ces quarante dernières années, l’utilisation des mélanges de polymères immiscibles s’est imposée dans différents secteurs industriels comme par exemple l’industrie automobile, l’industrie aérospatiale, le secteur pétrolier ou le secteur de l’emballage alimentaire. L’élaboration, ainsi que la
caractérisation de la morphologie, des propriétés mécaniques et rhéologiques de ces matériaux microstructurés ont fait l’objet de très nombreuses études. L’obtention de tels matériaux avec de bonnes
propriétés d’usage dépend en grande partie des propriétés interfaciales qui sont généralement mauvaises dans les mélanges de polymères immiscibles, en raison de la faible adhésion entre les phases.
Afin de pallier ce problème, le procédé couramment utilisé est la compatibilisation organique. La
compatibilisation organique des mélanges de polymères immiscibles est obtenue classiquement par
ajout d’un copolymère qui, de par sa structure chimique, se localise à l’interface et forme une interphase macromoléculaire qui affecte les propriétés morphologiques, rhéologiques et mécaniques
des mélanges. Beaucoup plus récemment, des études ont montré que l’ajout de nanoparticules, et
plus particulièrement de nanocharges argileuses, dans des mélanges de polymères immiscibles avait
des effets compatibilisants. En effet, l’argile, ayant une bonne affinité pour l’une ou l’autre des
phases polymères, peut induire dans ces mélanges, lorsqu’elle est localisée à l’interface, la formation
d’une interphase constituée de chaînes de polymères intercalés entre les feuillets d’argile, susceptible de conduire à des effets compatibilisants. Cependant, physiquement, une interphase composée
de chaînes de polymère se distingue fondamentalement d’une interphase composée de nanoparticules.
L’objectif de ces travaux de thèse est :
1) de contribuer à une meilleure caractérisation de l’interphase, de ses propriétés et de son influence sur la structure et le comportement rhéologique de mélanges polyéthylène/polyamide
compatibilisés de manière organique ou par ajout de nano-argiles.
2) de comparer les propriétés et les effets d’interphase des systèmes compatibilisés de manière
organique à ceux des systèmes chargés de nanoparticules argileuses.
Ces travaux ont été menés sur quatre couples de mélanges polyéthylène/polyamide, de rapport
de viscosités différents ; ces mélanges sont soit compatibilisés par un polyéthylène greffé anhydride
maléique, l’Orevac® , qui réagit chimiquement avec la phase dispersée polyamide, soit chargés de
nanoparticules d’argile, une Cloisite® , modifiée pour avoir une meilleure affinité avec le polyamide.
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La mise en évidence et l’étude des propriétés d’interphase révèlent que, pour les deux types de mélanges ternaires étudiés, les caractéristiques à l’échelle moléculaire du polyéthylène et du polyamide
influencent significativement les propriétés viscoélastiques de l’interphase. Ce constat souligne la
complexité de la structure des interphases dans ces systèmes ternaires, et modère l’espoir de pouvoir
les modéliser simplement. Une des manifestations marquantes de cette complexité concerne l’effet
émulsifiant, qui est toujours observé lorsqu’un compatibilisant organique est utilisé, alors qu’il n’est
pas systématique dans le cas où l’on ajoute des nano-argiles, même si celles-ci se situent principalement à l’interphase. Plus précisément, les résultats de nos travaux tendent à montrer qu’il pourrait
ne pas y avoir d’effet émulsifiant, et donc pas d’effet compatibilisant, de l’argile i) lorsque le degré
d’exfoliation de l’argile est trop important, ce qui se produit lorsqu’un polyamide de viscosité trop
élevée est utilisé ii) lorsqu’un polyéthylène de trop faible viscosité, au regard de celle de la phase
dispersée polyamide, est utilisé.
Parmi les quatre couples polyéthylène/polyamide utilisés, un de ces couples conduit à des systèmes ternaires chargés de nanoparticules d’argile ou compatibilisés par ajout d’Orevac® présentant
des morphologies nodulaires identiques et un effet émulsifiant, autorisant la comparaison des deux
types d’interphase. Les résultats montrent que l’interphase argile/polyamide intercalé a des propriétés dissipatives plus marquées que l’interphase obtenue à partir d’une compatibilisation organique.
Ce résultat est à relier à la présence de nombreux défauts dans l’interphase argileuse. En effet, ces
défauts de localisation, d’orientation ou d’empilement mis en évidence dans nos travaux sont autant
de contributions à la dissipation visqueuse ou frictionnelle de l’énergie dans l’interphase. Par ailleurs,
l’ordre de grandeur des temps caractéristiques (quelques dizaines de secondes) de la relaxation de
cette interphase argileuse montre que son comportement est loin d’être celui d’un solide élastique.
Ainsi, l’image classiquement donnée d’une interphase argileuse continue et rigide, comme une coque
nanocomposite, ne semble pas correspondre à la réalité.
Pour finir, les résultats issus de la modélisation des propriétés viscoélastiques des deux types de
systèmes ternaires par le modèle de Palierne, suggèrent l’existence de mécanismes de relaxation complexes au sein de ces interphases, impliquant des interactions spécifiques entre les trois composants
de ces mélanges, qui ont été discutées dans le manuscrit.
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