Nanocomposites à matrice polymère, structure et propriétés fonctionnelles

Abstract

Les matériaux nanocomposites à matrice polymère présentent un grand potentiel d’utilisation, par exemple, pour des applications de capteurs ou de récupération d’énergie mécanique. En effet, l’architecture du réseau percolant peut jouer le rôle de sonde de pression dans le cas de capteurs alors que pour collecter l’énergie mécanique et générer de l’électricité, une technique de conversion classiquement utilisée est la piézoélectricité. D’une part, les nanocharges incorporées dans les matériaux nanocomposites sont susceptibles de créer un réseau percolant (si elles sont conductrices) ou bien de présenter des propriétés électroactives (dans le cas de charges piézoélectriques), et d’autre part la matrice polymère confère au matériau flexibilité, faible coût et mise en forme aisée. Celle-ci peut également présenter des propriétés fonctionnelles dans le cas de l’utilisation d’une matrice polymère active, par exemple piézoélectrique. Que la matrice soit amorphe ou semi-cristalline, les propriétés physiques résultantes sont largement dépendantes de sa structure (phase mésomorphe, phases cristallines polaires…) et de la morphologie (dispersion des charges) des nanocomposites. De plus, la cohésion à l’interface charges/matrice polymère présente un intérêt majeur. Ainsi, le fil directeur de mes activités de recherche est d’évaluer l’impact de l’architecture macromoléculaire et/ou supramoléculaire, de la structure et morphologie de systèmes hybrides sur les propriétés fonctionnelles. Les nanocomposites conducteurs polymères possèdent un réseau percolant de nanocharges qui peut être modulé en fonction de stimuli externes (contrainte, température…) mais également une conduction électrique dépendante de la cristallinité de la matrice polymère. Des nanocharges conductrices telles que les nanotubes de carbone ont été utilisées afin d’identifier les cinétiques de cristallisation de la matrice polymère et dans le but de sonder la cristallisation in-situ au cours d’un refroidissement. De plus, dans le cas d’une matrice polymère polymorphe, la présence de nanocharges peut entrainer un changement de phase cristalline. Une corrélation a pu être établie entre phases cristallines et seuil de percolation électrique en lien avec les propriétés fonctionnelles résultantes (réponse piézoélectrique, thermoélectrique). L’évolution du réseau percolant a été défini en fonction d’une sollicitation mécanique (étirage uniaxial). Les nanocomposites piézoélectriques à matrice polymère électroactive présentent des propriétés fonctionnelles largement dépendantes de la structure de la matrice polymère (présence de dipôles orientés). Ainsi, le comportement sous étirage de deux polymères piézoélectriques, le poly(fluorure de vinylidene) et l’acide poly(L-lactide), a été investigué afin d’établir une relation entre la phase (mésophase ou phase cristalline) et la réponse piézoélectrique. La fabrication et l’étude de composites 0-3 et 1-3 (charges à 0D ou 1D respectivement dans une matrice polymère 3D) a été réalisée avec un intérêt particulier porté à l’interface charges/matrice.