Propriétés de nanocomposites polymère-graphène

Figure I.22 : Courbes d’analyses thermogravimétrique (ATG) obtenus pour des nanocomposites de poly méthacrylate de méthyle avec 1 % de nanotubes de carbone d’une seule paroie (SWCNT), graphite expansé (GE) et le graphène thermiquement réduit (FGS) [93]. Ces nanocomposites ont été préparés par la méthode mélange en solution.

 Propriétés mécaniques

Le graphène est le matériau le plus rigide mécaniquement [11]; son incorporation dans une matrice polymère peut donner des améliorations très significatives des propriétés mécaniques de systèmes nanocomposites [117; 126-127]. Il a été démontré que le graphène a un avantage supérieur comme renfort mécanique en comparaison avec les autres renforts à base de carbone comme par exemple le noir de carbone, les nanotubes de carbone à simple paroi ou le graphite expansé [70;93;114;106]. Le graphène ou l’un de ses dérivés a été largement utilisé comme un renfort mécanique pour une variété de matrices polymères, afin de développer de nanocomposites avec des propriétés très améliorées. En effet, les propriétés mécaniques présentent un intérêt très important dans les applications industrielles, comme dans le domaine de l’automobile ou l’aéronautique.

Très récemment, Kim et al. [117], Kuila et al. [126] et Potts et al. [127] ont publiés trois revues sur le graphène et son utilisation dans les nanocomposites polymères. Ils ont cité les derniers résultats en termes de propriétés mécaniques ainsi que d’autres propriétés.

En effet, les nanocomposites obtenus avec le graphène ont montré des améliorations significatives du module de Young et de la résistance à la traction à très faible taux de chargement par le graphène ou l’un de ses dérivés [81;86;89;93-95;97-99;104;114;120- 121;128-130].

Figure I.23 : (a) Les courbes typiques de contrainte-déformation obtenus pour des nanocomposites de PVA avec le graphène chimiquement réduit. (b) la variation du module de young en fonction de la fraction volumique du graphène. Les résultats du module ont été comparé avec des calcules théoriques en utilisant le modèle de Halpin-Tsai dans le cas de la dispersion unidirectionnel (Undirectionnaly) et aléatoires (Randomlly). (c) la variation de la résistance à la traction et l’allongement à la rupture en fonction de la fraction volumique de graphène [81].

Par exemple, Zhao et al. ont fabriqué, via le mélange en solution avec une réduction in-situ du graphène, des nanocomposites de PVA avec le graphène [81]. Ils ont obtenu que le module de Young a été augmenté de dix fois en comparaison avec la matrice non-chargée et la résistance à la traction a été également augmentée de 150 % avec l’addition seulement d’une fraction volumique de 1,8 % du graphène, cet exemple est montré dans la Figure I.23. Par l’utilisation de la méthode de mélange à l’état fondu, H Kim et al. ont montré que le module de Young du PC a été augmenté par 25 % avec l’addition d’une fraction massique de 2,5 % du graphène thermiquement réduit, et pour le PEN le module a été augmenté de 57 % avec l’addition de 4 % du même type de graphène [97-98]. Il a été démontré que la bonne adhésion, les fortes interactions entre le graphène et la matrice polymère et aussi la bonne qualité de dispersion du graphène à l’intérieur de la matrice polymère sont les facteurs nécessaires pour l’amélioration des propriétés mécaniques des nanocomposites [81;86;131]. En contre partie, la mauvaise dispersion du graphène et l’incompatibilité entre les phases peuvent résulter dans un faible transfert de la contrainte à l’interface graphène-polymère. D’autant plus, tandis que le graphène est une nanoparticule très rigide, son incorporation dans des matrices polymères peut résulter la réduction de l’allongement à la rupture (Figure I.23) [81]

 Autres propriétés

Grâce à ses propriétés exceptionnelles, le graphène a été aussi utilisé pour introduire de nouvelles propriétés à des matrices polymères. Le graphène thermiquement ou chimiquement réduit présente une forte conductivité électrique, en effet, son incorporation dans des matrices polymères a permis la production de nanocomposites électriquement conducteurs. Stankovich et al. ont préparé, via la méthode de mélange en solution, des nanocomposites de PS avec le graphène chimiquement réduit (réduction in-situ); ils ont observé un seuil de percolation électrique à une fraction volumique de 0,1 % [73]. Les revues de Kim et al. [117], Kuila et al. [126] et Potts et al. [127] montrent les derniers résultats sur le nanocomposites conducteurs en utilisant le graphène ou l’un de ses dérivés comme charge conductrice.

Le graphène peut être aussi utilisé pour améliorer la conductivité thermique des matériaux nanocomposites. Des études sur la conductivité thermique des systèmes nanocomposites en utilisant le graphène ou ses dérivés ont été focalisées sur l’utilisation

d’une matrice d’époxy [132-137]. En effet, des améliorations très significatives ont été réalisées dans ces systèmes nanocomposites.

En outre, des augmentations très significatives de la température de transition vitreuse (Tg) de certains polymères ont été observées par l’addition du graphène thermiquement réduit ou l’un de ses dérivés [93;104;123]. Ramanathan et al. ont démontré que l’addition du graphène thermiquement réduit à la matrice PMMA a permis une augmentation de la Tg de 30 % avec à une fraction massique de 0.05 % du graphène et une augmentation de 47 % a été observée pour le poly acrylonitrile (PAN) à 1 % du graphène [93].

Il a été montré que le graphène est un matériau imperméable à tous les gaz [14], en effet, son incorporation dans des matrices polymères a résulté dans la production de nouveaux nanocomposites avec une perméabilité aux gaz très réduite. Une revue très détaillée de cette application peut être consultée dans les références [89;98;138-141].