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Accueil du site > Equipes scientifiques > Nanotubes et Graphène - NTG

Nanocomposites, Fibres et Polymères

Les nanocomposites à base de NTC ou graphène dans des matrices polymères constituent une des applications principales de ces matériaux. Les améliorations de propriétés mécaniques ou l’apport de conductivité électrique représentent des marchés conséquents dans de nombreux domaines (automobile, aéronautique, sport, etc). L’équipe s’intéresse logiquement à cette problématique notamment via le développement de fibres composites polymères-NTC. Ces matériaux permettent une exploitation optimale des propriétés des NTC ou du graphène car les particules peuvent être concentrées et fortement orientées par étirage des fibres. Les études sur les fibres nous ont amené à nous intéresser à de nouvelles questions sur la transition vitreuse des polymères.

Aspects procédés

Le filage industriel des polymères peut être très grossièrement classé en deux catégories : le filage voie fondu (un polymère fondu est extrudé à travers une filière) et le filage par voie humide (le polymère est dissous dans un solvant puis la fibre est solidifiée par injection dans un solvant de coagulation ou séchée directement). Nous étudions des fibres composites de NTC formées par ces deux approches en se concentrant sur la voie humide car elle permet d’atteindre des taux de NTC plus élevés que la voie fondu. Elle nécessite cependant une physico-chimie plus complexe car il est nécessaire de partir de solutions parfaitement homogènes et de réaliser des solidifications rapidement pour que la fibre puisse être produite de façon continue et entrainée sur une ligne pour être lavée et séchée. Optimiser la cinétique de solidification est donc critique. Cependant, mesurer la transformation d’une solution en un gel puis un solide, en quelques secondes et en déplacement pose un réel défi. Nous avons réalisé des expériences millifluidiques pour y répondre. Ces méthodes nous permettent d’examiner de façon quantitative l’influence de différents facteurs (pH, poids moléculaire, sels, etc) sur la fabrication de fibres composites. Les progrès réalisés sur le filage de telles fibres ont permis d’aboutir à un procédé robuste et rapide qui a été transféré à l’échelle pilote sur la plateforme technologique CANOE

Figure 3 : Principe de mesure de la solidification d’une fibre circulant dans un canal le long duquel se trouve une constriction. Bobine continue de fibre de NTC (200m).

Propriétés thermomécaniques des fibres et mémoire de forme 

Nous avons étudié les propriétés électriques et mécaniques de différents types de fibres composites NTC-polymères. Nous avons découvert un effet de mémoire de forme unique car associé à de très grandes densités d’énergie et surtout à une mémoire de température, la seule à notre connaissance dans le monde des matériaux (P. Miaudet et al. Science 2007). En effet, les fibres NTC-polymère déformées à une température Td (au dessus de la température de transition vitreuse Tg) puis refroidies à une température arbitraire sous Tg, présentent un pic de recouvrement de contraintes mécaniques à une température qui correspond précisément à Td. Cette propriété permet de moduler la réponse du matériau sans modifier sa composition. Nous avons récemment étudié des effets cinétiques ainsi que la répercussion d’effets mémoire sur les propriétés électriques des matériaux. Les effets cinétiques ont permis de montrer que les polymères perdent la mémoire de température avec le temps. Ces résultats permettent de conclure que la mémoire de température repose sur la large distribution de temps de relaxation des hétérogénéités dynamiques d’un polymère vitreux.

Piézo-résistivité et capteurs

Les fibres de NTC sont conductrices, ce qui en fait un matériau prometteur pour les textiles conducteurs qui se distinguent des matériaux concurrents : plus souples et légères que les fibres de carbone ou de métal et plus durables que les fibres simplement enduites de particules conductrices. Elles présentent des variations de conductivité en fonction d’une déformation, ce qui les rend potentiellement utiles pour des applications de capteurs. Dans le cadre du projet européen LAYSA (FP7) ainsi qu’en collaboration avec l’Université de l’Egée nous avons utilisé la piézo-résistivité des fibres de NTC pour réaliser des capteurs de contraintes dans des composites aéronautiques.