Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Ce travail de thèse vise la synthèse et le développement de nanoparticules afin d’améliorer les propriétés mécaniques des thermoplastiques. Ce projet a été réalisé aux laboratoires de chimie et de plasturgie du Centre de Technologie Minérale et de Plasturgie de Thetford Mines et en collaboration avec le Laboratoire de Nanotechnologie et de Bioplasturgie de l’UQAT. Les nanocomposites sont des matériaux de haute performance alliant une combinaison de propriétés et des conceptions uniques. Avec un taux de croissance annuel de près de 25% et une demande toujours plus forte en plastiques techniques, le potentiel des nanocomposites est remarquable. Les applications ingénieuses de nanocomposites à base de thermoplastique offrent de nouvelles opportunités technologiques et commerciales à plusieurs secteurs de l'industrie aérospatiale, automobile et électronique. Après une introduction générale situant le contexte général de cette thèse, une analyse bibliographique portant sur les nanoparticules largement utilisées dans l’élaboration des nanocomposites à base de thermoplastique est présentée. Nous avons mis en lumière les utilisations possibles de nanomatériaux comme nanorenforts tels que les silsesquioxanes, les nanocristaux de cellulose, les argiles et les nanotubes de carbone. Nous avons présenté les méthodes d’élaboration des nanocomposites, des résultats récents sur leur structure, leurs propriétés, leurs applications et des perspectives incluant le besoin de tels matériaux. Au cours de ce travail, des nanoparticules de polysilsesquioxanes (PMSQ) ont été synthétisées par une méthode simple impliquant des réactions sol-gels. Aussi, les nanocristaux de cellulose ont subi une réaction d’hydrophobisation de sa surface par le méthyletriméthoxysilane (MTMS). Ces deux types de nanoparticules ont été utilisés dans la fabrication de nanocomposites à base de polyéthylène haute densité (HDPE). Les PMSQ se présentent comme des nanoparticules cristallines dotées d’une grande surface spécifique, un caractère hydrophobe et une excellente stabilité thermique. Grâce à leurs caractéristiques, les PMSQ ont permis d’élaborer, par voie fondue, des nanocomposites à base de HDPE. Les propriétés des nanocomposites, ainsi obtenues, ont permis de classer ces nanoparticules dans la catégorie des nanocharges ayant un grand potentiel dans le domaine de fabrication des nanocomposites. Grâce à leur abondance naturelle, à leurs propriétés mécaniques intéressantes et à leur faible coût, les nanocristaux de cellulose (CNC) peuvent concurrencer les nanocharges habituellement utilisées dans la fabrication des nanocomposites par voie fondue telle que les nanotubes de carbone. La problématique de compatibilité entre les CNC et les matrices thermoplastiques hydrophobes, peut être contournée grâce au traitement par le MTMS. Les résultats de ce traitement ont montré un changement du caractère hydrophile des CNC vers un caractère hydrophobe. Il a été montré également, que la stabilité thermique des CNC a été nettement améliorée. Par extrusion, nous avons élaboré des nanocomposites HDPE-CNC. Investiguée par microscopie, nous avons remarqué une nette amélioration des adhésions interfaciales entre les CNC et la matrice HDPE. Les forces de cisaillement appliquées lors du procédé d’extrusion n’ont pas permis une bonne dispersion des CNC dans le HDPE. Pour résoudre ceci, nous avons utilisé le procédé d’attrition afin d’individualiser les fibres de CNC et ainsi améliorer les performances du nanocomposite. Les résultats obtenus sont très prometteurs. La combinaison entre les bonnes propriétés mécaniques et d’adhésion de ces nanoparticules et une méthode de transformation des thermoplastiques, l’extrusion, peut contribuer à la fabrication d’une nouvelle gamme de nanocomposites ayant un potentiel économique important.