Chapitre IV: Etude des nanocomposites à matrices polypropylène et
IV.3 Résultats et discussions
IV.3.2 Propriétés des nanocomposites à matrice PP
IV.3.2.7 Propriétés rhéologiques dynamiques
Le comportement viscoélastique de tous les systèmes nanocomposites de PP-NFG, a été caractérisé à la température de mise en œuvre de ces systèmes. Cependant des balayages en fréquence ont été appliqués à une déformation de 2,5 % pour laquelle nos systèmes nanocomposites présentent une réponse viscoélastique linéaire. En effet, le module de conservation (G’) (le module élastique), le module de perte (G’’) (le module visqueux), l’angle de déphasage entre les deux modules (Tan-δ) et la viscosité complexe (ε*) ont été mesurés en fonction de la fréquence dans les régions viscoélastiques linéaires.
10-2 10-1 100 101 102
100 101 102 103 104
PP PP-NFG0,2 PP-NFG0,5 PP-NFG1,0 PP-NFG1,5 PP-NFG2,0 PP-NFG3,0
Module visqueux, G'' (Pa)
Fréquence (Hz)
Figure IV.14: Variation du module visqueux (G’’) en fonction de la fréquence pour les nanocomposites PP-NFG en fonction de la fraction massique de NFG (0,2; 0,5; 1; 1,5; 2 et 3 %), (T=200 °C ; ε=2.5 %).
La Figure IV.13 montre l’évolution du module de conservation (G’) en fonction de la fréquence pour le PP non chargé et ses nanocomposites à différentes concentrations massiques des NFG. Il est clair que le G’ des nanocomposites PP-NFG augmente avec l’augmentation du contenu massique des NFG dans toute la gamme de fréquence (0.01-100 Hz). A faible fréquence, les chaines du PP non chargé sont totalement relaxées et montrent un comportement typique d’un homopolymère [23]. Dans les nanocomposites contennant un poucentage de 0,2 et 0,5 % de NFG (PP-NFG0,2 et PP-NFG0,5), le G’ a été légèrement augmenté mais les matériaux maintiennent le même comportement viscoélastique du PP non chargé; ce qui indique qu’une telle quantité de NFG (0,2-0,5%) est insuffisante pour restreindre les relaxations des chaines du polymère. Quand le contenu de NFG devient
supérieur à 1 %, le G’ a développé un plateau horizontal à basse fréquence; ce qui indique la présence d’une transition du comportement viscoélastique de type fluide à celui de type solide [23;55]. Ce comportement non-terminal, à basse fréquence, peut être attribué à la formation d’un réseau interconnecté des NFG dans la matrice polymère; ce qui mène à la restriction du mouvement des chaines du polymère [60-63]. La fraction massique de 1% de NFG présente le point d’apparition du comportement de type solide; ce qui peut être lié au fait que l'interaction entre les nanofeuillets commence à dominer, conduisant à la percolation et à la formation d'une structure de réseau interconnecté dans le polymère.
D’autant plus, La dépendance à basse fréquence de G'' présente une tendance similaire que celle du G’ comme montré dans la Figure IV.14. Où le G’’ augmente avec l’augmentation du contenu de NFG. L’augmentation de G’’ est faible que celle de G’ à la même fraction massique de NFG.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 100
101 102 103 104 105
G', G'' (Pa)
Fraction massique de NFG (%) G' at 0,01 Hz G' at 0,1 Hz G' at 10Hz G'' at 0,01 Hz G'' at 0,1 Hz G" at 10Hz
Figure IV.15: Variation de G’ et G’’ en function de la fraction massique de NFG (0,2;
0,5; 1; 1,5; 2 et 3 %) et à différentes valeurs de fréquence (0,01, 0,1 et 10 Hz) pour les nanocomposites PP-NFG, (T=200 °C ; ε=2.5 %).
La formation d’un réseau percolant de NFG (transition liquide-solide) peut aussi être déduit à partir de la comparaison de G’ et G’’ en fonction du contenu de NFG et à différente fréquence. La Figure IV.15 montre l’évolution de G’ et G’’ en fonction de la fraction massique de NFG pour des fréquences de 0,01, 0,1 et 10 Hz. Alors que les valeurs des deux modules augmentent avec l’augmentation de NFG, une transition
viscoélastique claire peut être observée à travers la gamme de concentrations de NFG. Pour le PP non chargé et ses nanocomposites à faible fraction massique de NFG (≤ 1 %), le comportement visqueux est dominant à faible fréquence, ce qui se traduit par Tan-δ >1 c.à.d. G’’> G’, l’évolution de Tan-δ en fonction de la fréquence est montrée sur la Figure IV.16. D’autre part, le comportement élastique (G’ > G’’, avec un plateau à basse fréquence) devient dominant quand le contenu de NFG dépasse1 %.
10-2 10-1 100 101 102
0 2 4 6 8 10 12
PP PP-NFG0,2 PP-NFG0,5 PP-NFG1,0 PP-NFG1,5 PP-NFG2,0 PP-NFG3,0
Tan-
Fréquence (Hz)
Figure IV.16:Variation de la tangente-delta (tan-δ) en fonction de la fréquence pour les nanocomposites PP-NFG en fonction de la fraction massique des NFG (0,2; 0,5; 1; 1,5; 2 et 3 %), (T=200 °C ; ε=2.5 %).
La viscosité complexe (ε*) d’un polymère thermoplastique non chargé contient généralement deux comportements distincts, le comportement Newtonien et rhéofluidifiant (shear thinning) [56;62]. Le premier comportement, observé aux basses fréquences, se caractérise par l’indépendance de la viscosité avec la fréquence. Par contre le comportement rhéofluidifiant est trouvé aux grandes fréquences et se caractérise par la diminution linéaire de la viscosité avec l’augmentation de fréquence.
La Figure IV.17 montre l’évolution de la viscosité complexe en fonction de la fréquence pour le PP non chargé et les systèmes nanocomposites à différent contenu massique de NFG. Cependant, une augmentation de la viscosité avec l’augmentation du contenu de NFG peut être clairement observée. Le PP non chargé montre les deux régions, la newtonienne à basses fréquences (≤ 1Hz) et la rhéofluidifiante à hautes fréquences (≥ 1
Hz) [56;62]. Les nanocomposites PP-NFG0,2 et PP-NFG0,5 montrent le même comportement que le PP non chargé avec une faible augmentation de ε* sur toute la gamme de la fréquence étudiée (Figure IV.17).
10-2 10-1 100 101 102
103 104
105 PP PP-NFG1,5 PP-NFG0,2 PP-NFG2,0 PP-NFG0,5 PP-NFG3,0 PP-NFG1,0
Viscosité compléxe (Pa-s)
Fréquence (Hz)
Figure IV.17:Variation de la viscosité complexe (ε*) en fonction de la fréquence pour les nanocomposites PP-NFG en fonction de la fraction massique des NFG (0,2; 0,5; 1; 1,5; 2 et 3 %), (T=200 °C ; ε=2.5 %).
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 103
104 105
(Pa-s)
Fraction massique de NFG (%) at 0,01Hz
at 0,1Hz at 1Hz
Figure IV.18 :Variation de ε* en function de la fraction massique des NFG (0,2; 0,5; 1;
1,5; 2 et 3 %) et à différentes valeurs de fréquence (0,01, 0,1 et 1 Hz) pour les nanocomposites PP-NFG, (T=200 °C ; ε=2.5 %).
Quand la fraction massique de NFG est égale à 1 %, le plateau newtonien a commencé à disparaitre, indiquant que les nanofeuillets ont commencé à former un réseau continu.
Pour les fractions de NFG supérieures à 1,5 %, le comportement newtonien est complètement disparu, lissant seulement le comportement rhéofluidifiant dans toute la gamme de fréquence (0,01-100 Hz). Par ailleurs, l’échantillon a montré une relation linéaire sur toute la gamme de fréquence étudiée; ce qui indique d’une limite d’élasticité.
Il a été largement montré que l’existence de cette transition est reliée à une bonne qualité de dispersion des charges au sein de la matrice, une forte intéraction inerfaciale entre les nanocharges et les chaines de la matrice et à la formation d’un réseau homogène continu des nanocharges au sein de la matrice polymère [57;64]. Pour analyser le comportement de la viscosité, dans la Figure IV.18 l’évolution de ε* en fonction de la fraction massique de NFG et à différente fréquence (0,01, 0,1 et 1,0%) est présentée.
Aucun changement significatif n’a été observé entre le PP non chargé et les nanocomposites PP-NFG0,2 et PP-NFG0,5, où les échantillons montrent un comportement newtonien à basse fréquence. Pour les nanocomposites à pourcentage de NFG supérieur à 1,5 % il y a une montée rapide de la viscosité complexe qui augmente avec le pourcentage de NFG, ceci est accompagné par la formation d’un réseau continu de NFG au sein de la matrice PP qui se traduit par la transition de la réponse viscoélastique liquide-solide. A partir de ces données, on peut dire que le seuil de percolation rhéologique soit proche de la concentration de NFG de 1 %. Alors qu'il a été précédemment rapporté qu’un seuil de percolation rhéologique allant de 0,5 à 7,5 % est observé dans les nanocomposites à base des matrices polyoléfines [44;56 ;65-66]. Le même comportement a été rapporté dans la littérature pour le PP renforcé par les nanotubes de carbone fonctionnalisés [67].