Elaboration et caractérisation de nano-composites XNBR / graphène pour des applications tribologiques
Institution:
Bourgogne Franche-ComtéDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The objective of this work is to first study the influence of the incorporation of carbon nanoparticles in the elastomeric matrix on the rheological, viscoelastic and mechanical properties. Secondly, the impact of the addition of graphene and its derivatives on the friction and wear responses of the manufactured nanocomposites will also be explored.To achieve the objectives set through this research work, the experimental approach adopted is structured around three parts.The first part was devoted to the synthesis of nanoparticles, in particular graphene and graphene oxide. Graphene oxide (OGe) nanosheets were obtained by chemical oxidation of graphite followed by exfoliation via sonication. A chemical or thermal reduction, follows to result in the graphene nanosheets. Experimental characterization techniques confirmed that the graphene and graphene oxide nanosheets were well formed in large quantities with high structural quality. The nanocomposite samples were prepared by adopting two different mixing methods including the masterbatch method and the melt-blending method.The second part was reserved for the characterization of the nanocomposites produced by rheology tests coupled with swelling tests in order to determine the crosslinking density of the XNBR matrix in the presence of the filler. The evolution of the modulus of conservation during the deformation scanning was carried out by mechanical spectrometry. These measurements demonstrated the influence of charge – charge and charge – matrix interactions on the Payne effect. The effect of the incorporation of charges on the viscoelastic behavior of the samples was also studied. In addition, the mechanical characterization of the nanocomposites was performed using uniaxial tensile tests. Thermogravimetric analyzes were carried out to study the effect of the addition of graphene and its derivatives on the thermal stability of nanocomposites. In addition, microstructural characterizations of nanocomposites by scanning electron microscopy (SEM) coupled with X-ray diffraction spectra (XRD) were performed to verify the state of charge dispersion in the matrix.The third part was devoted to the study of the tribological behavior of the nanocomposites produced. This study was carried out on a pion / disc type rotary tribometer with microscopic observations in order to demonstrate the effect of particles on the friction and wear behaviors of the samples produced. The mechanisms that govern the wear of nanocomposites were identified from the results of mass loss and micrographs of wear facies.
Abstract FR:
[...]L’objectif de ce travail consiste à étudier dans un premier temps l’influence de l’incorporation de nanoparticules carbonées dans la matrice élastomère sur les propriétés rhéologiques, viscoélastiques et mécaniques. Dans un deuxième temps, l’impact de l’ajout du graphène et de ses dérivés sur les réponses en frottement et à l’usure des nanocomposites élaborés sera également exploré.Pour la concrétisation des objectifs visés à travers ces travaux de recherche, la démarche expérimentale retenue s’articule autour de trois parties.La première partie a été consacrée à la synthèse des nanoparticules notamment le graphène et l’oxyde de graphène. Les nanofeuillets d’oxyde de graphène (OGe) ont été obtenus via oxydation chimique du graphite suivie d’une exfoliation via sonification. Une réduction chimique ou thermique, s’en suit pour aboutir au nanofeuillets de graphène. Des techniques de caractérisation expérimentales ont confirmé que les nanofeuillets de graphène et d’oxyde de graphène ont été bien formés en large quantité avec une haute qualité structurale. Les échantillons nanocomposites ont été préparés en adoptant deux procédés de mélangeage différents notamment la méthode du mélange maitre et celle du mélangeage à l’état fondu.La seconde partie a été réservée à la caractérisation des nanocomposites élaborés par des essais de rhéologie couplés à des tests de gonflement afin de déterminer la densité de réticulation de la matrice XNBR en présence de la charge. L’évolution du module de conservation lors du balayage en déformation a été effectuée par spectrométrie mécanique. Ces mesures ont permis de mettre en évidence l’influence des interactions charge–charge et charge–matrice sur l’effet Payne. L’effet de l’incorporation de charges sur le comportement viscoélastique des échantillons a été également étudié. De plus, la caractérisation mécanique des nanocomposites a été réalisée au moyen d’essais de traction uni-axiale. Des analyses thermogravimétriques ont été conduites pour étudier l’effet de l’ajout du graphène et de ses dérivés sur la stabilité thermique des nanocomposites. En outre, des caractérisations microstructurales des nanocomposites par microscopie électronique à balayage (MEB) couplées à des spectres de diffractions aux rayons-X (DRX) ont été exécutées afin de vérifier l’état de dispersion de la charge dans la matrice.La troisième partie a été consacrée à l'étude du comportement tribologique des nanocomposites élaborés. Cette étude a été conduite sur un tribomètre rotatif de type pion/disque avec des observations microscopiques afin de mettre en évidence l’effet des particules sur les comportements en frottement et en usure des échantillons élaborés. Les mécanismes qui régissent l’usure des nanocomposites ont été identifiés à partir des résultats de la perte de masse et des micrographies des faciès d’usure.