Compréhension des interactions silice-polymère et du rôle de l'interface grâce à l'utilisation de solvants
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Abstract EN:
Silica is a key ingredient in the formulation of reinforced elastomers for tire applications. However dispersing silica at a sub-micrometric scale induces a major issue, as the polymeric matrix is non-polar whereas silica particles are highly polar. This means that the compatibility between these components needs to be improved. Due to the large number of components in tire formulations, studying specific interactions is extremely complex. In this context, this thesis presents the development of new analytical methods to characterize polymer-silica interactions and better understand the role of the silane covering agent. These approaches were developed in organic liquid medium and are based on a generalized theory of Hansen solubility parameters. The results show that the role of the covering agent at silica surface is counterintuitive, as it does not promote the adsorption of the polymer. It acts as a steric hindrance at silica surface. However it allows reducing the affinity between the particles. A good compromise was found by modifying the silane in order to mimic the chemistry of the polymers used in this work. The formation of specific interactions between the polymer and the silane was sufficient to compensate the steric hindrance generated. Inter-particulate affinity has been investigated by rheology using a silica suspension in organic medium. A singular rheopectic behavior has been highlighted. The suspension behaves like a yield stress fluid where the yield stress value depends on the shear history of the sample. The higher the pre-shear stress, the higher the yield stress value. In-situ confocal microscopy observation shows that this behavior is related to the structuration of the suspension
Abstract FR:
La silice est un élément indispensable de la formulation des élastomères renforcés pour l’application pneumatique. La dispersion de la silice à une échelle sub-micrométrique engendre cependant une difficulté fondamentale. En effet, la matrice caoutchouc est fortement apolaire, alors que la silice est fortement polaire. Cela traduit une mauvaise affinité qui doit être surmontée. À cause de son grand nombre de composants, l'étude spécifique des interactions au sein d'une formulation pneumatique à l’état fondu ou caoutchoutique est extrêmement complexe. Dans ce contexte, cette thèse présente le développement de nouvelles méthodes analytiques pour caractériser les interactions polymère - silice et comprendre le rôle de l'agent de recouvrement en utilisant une nouvelle approche en voie liquide (solvants organiques). Cette approche est basée sur l’aspect prédictif des paramètres de solubilité de Hansen. L’agent de recouvrement joue un rôle très particulier en surface de la silice. Contrairement à ce que l’on pourrait penser, il ne favorise pas l’adsorption du polymère. Il agit plutôt comme une gène stérique en surface des particules. Il permet cependant de diminuer les interactions inter-particulaires. Un bon compromis a été trouvé grâce à ce travail de thèse en ajoutant des fonctions chimiques au silane, imitant ainsi la chimie des polymères de l’étude. La formation d’interactions spécifiques entre le polymère et le silane ont été suffisantes pour compenser la gène stérique engendrée. Une étude rhéologique a été réalisée sur une suspension de silice en solvant organique afin de caractériser les affinités inter-particulaires. Un comportement rhéopectique tout à fait original a été mis en évidence. La suspension se comporte comme un fluide à seuil, la valeur du seuil dépendant de l’histoire rhéologique du matériau. Plus la contrainte de pré-cisaillement est élevée, plus la valeur du seuil augmente. Les mesures rhéologiques couplées avec une observation directe in-situ par microscopie confocale montrent que ce comportement est relié à la structuration de la suspension