Etude des relations synthèse-morphologie-propriétés mécaniques de nano composites hybrides polymère-silice : application au renforcement mécanique des verres
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
This work deals with the study of synthesis-morphology-mechanical properties relationships of polymersilica nanocomposite hybrid materials and their application as coating to reinforce glass substrates ( e. G. Bottles). Two types of nanocomposites, exhibiting the same chemical composition, have been prepared. Type 1 systems were obtained by the bulk free-radical polymerization of 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) in the presence of HEMA-functionalized silica nanoparticles (13 nm in diameter). Type 2 systems were obtained by the simultaneous polymerization of HEMA and tetraethoxysilane (TEOS). In this case, a silica rich phase results from classical acid catalyzed reactions, involving hydrolysis and condensation of TEOS (sol-gel process). Both types of hybrids, which can contain up to 30 wt% of silica, are optically transparent. Type 1 nanocomposites exhibit particle-matrix morphology where silica nanoparticles tend to form aggregates. Type 2 systems are molecular composites exhibiting a finer morphology that consists in a very open mass fractal silicate structure which is believed to be bicontinuous with the organic phase. Such morphology differences lead to very different mechanical behaviors. Type 2 materials exhibit higher levels of hardness and rubbery rigidity whereas Type 1 materials possess higher damping efficiency and plastic deformation ability. A mechanical model, based on a self-consistent scheme and taking into account local inversions of phase connectivity, has been proposed and applied to the description of the viscoelastic behavior of both types of nanocomposites. Finally, practical applications have been developed in the field of glass strengthening, by using such hybrid systems as coatings. These coatings, whose thickness remains below one micrometer, lead to important reinforcements of substrates, which can be explained by a healing mechanism of glass surface flaws.
Abstract FR:
Ce travail concerne l'étude des relations synthèse-morphologie-propriétés mécaniques de nanocomposites ou hybrides polymère-silice et l'application de ces matériaux en couches minces pour améliorer la résistance mécanique de substrats verres (e. G, bouteilles). Deux types de nanocomposites de même composition globale ont été synthétisés. Les systèmes de Type 1 sont obtenus par polymérisation radicalaire en masse de 2-hydroxyéthlyl méthacrylate (HEMA) en présence de nanoparticules préformées de silice, fonctionnalisées HEMA (diamètre 13-nm). Les systèmes de Type 2 sont obtenus par polymérisation simultanée de HEMA et de tétraéthoxysilane (TEOS). La silice est alors synthétisée in situ par hydrolyse et condensation de TEOS sous catalyse acide (voie sol-gel). Ces deux types d'hybrides, qui peuvent contenir de 0 à 30 wt% de phase siliciée, sont optiquement transparents. Les hybrides de Type 1 présentent une morphologie particulaire, avec présence d'agrégats de nanoparticules. Les hybrides de Type 2, véritables composites moléculaires, possèdent une morphologie beaucoup plus fine avec une phase siliciée à géométrie fractale de masse très ouverte, supposée être bicontinue avec la phase organique. Ces différences morphologiques conduisent à des comportements thermomécaniques radicalement différents. Les matériaux de Type 2 sont plus durs et plus rigides à l'état caoutchoutique, alors que les matériaux de Type 1 sont plus amortissants et plus ductiles. Un modèle mécanique, basé sur un schéma auto-cohérent et intégrant l'existence d'inversions de connexité des phases, a été développé et appliqué à la description du comportement viscoélastique de ces nanocomposites. Une formulation, basée sur ces matériaux, a été optimisée pour réaliser des revêtements sur substrat verre. Ces revêtements d'épaisseur inférieure au micromètre, conduisent à un renforcement mécanique notable du substrat, s'expliquant par un mécanisme de cicatrisation des fissures de la surface du verre.