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Nanocomposites polyéthylène/argile destinés à des applications électriques : conception et relations structure-propriétés

Zazoum, Bouchaib (2014). Nanocomposites polyéthylène/argile destinés à des applications électriques : conception et relations structure-propriétés. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce travail consiste à réaliser des nanocomposites PE/argile destinés à des applications diélectriques et à étudier les relations structure-propriétés de ces matériaux. La technique utilisée pour élaborer les nanocomposites en question, consiste à réaliser un mélange à l’état fondu en utilisant une extrudeuse à double vis co-rotative. Un mélange maître commercial LLDPE/O-MMT est dilué dans une matrice qui contient 80 % massique du polyéthylène basse densité (LDPE), et 20 % massique du polyéthylène haute densité (HDPE), avec et sans l'anhydride polyéthylène modifié (PE-MA) comme compatibilisant.

La première phase de cette thèse consiste à analyser l'influence de nanoargile et de compatibilisant sur la structure et sur la réponse diélectrique des nanocomposites PE/argile. La microstructure de ces derniers a été caractérisée par la diffraction des rayons X aux grands angles (WAXD), et par le microscope électronique à balayage (MEB). Pour ce qui est des propriétés thermiques, elles ont été examinées par la calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Quant à la réponse diélectrique du PE pur, elle a été comparée à ceux des nanocomposites PE/argile avec et sans compatibilisant, afin de comprendre l'effet de la qualité de dispersion sur la réponse diélectrique. Deux modes de relaxation ont été détectés. Le premier est relatif à une relaxation interfaciale, appelée également polarisation de Maxwell-Wagner-Sillars. Quant au second, il est associé à une relaxation dite dipolaire. Une relation entre le degré de dispersion et le taux de relaxation de Maxwell-Wagner-Sillars a été établie et discutée.

Dans la deuxième phase de l’étude, les nanocomposites PE/argile ont été caractérisés par différentes techniques telles que la microscopie optique, AFM, TEM, TGA, DMTA et les mesures du claquage diélectrique. Une corrélation entre la structure et la rigidité diélectrique a été discutée.

Enfin, un modèle de simulation 3D, par la méthode des éléments finis, a été développé dans le but d'étudier l'effet de la dispersion des particules de nanoargile. Il a permis, également, d’analyser l’effet de la variation de la permittivité et du rayon des inclusions, sur la permittivité effective, sur la distribution du champ électrique, ainsi que sur la polarisation. Les résultats de la simulation ont été comparés avec les solutions théoriques obtenues à partir des modèles classiques.

Résumé traduit

The aim of this work is the manufacturing of PE/clay nanocomposites and to study the structure-property relationships of these materials. The nanocomposites materials were prepared by mixing a commercially available premixed LLDPE/O-MMT masterbatch into a polyethylene blend matrix containing 80 wt % low density polyethylene and 20 wt % high density polyethylene with and without anhydride modified polyethylene (PE-MA) as the compatibilizer using a co-rotating twin-screw extruder.

Firstly, the effect of nanoclay and compatibilizer on the structure and dielectric response of PE/clay nanocomposites has been investigated. The microstructure of PE/clay nanocomposites was characterized by wide angle X-ray diffraction (WAXD) and scanning electron microscope (SEM). Thermal properties were examined by differential scanning calorimetry (DSC). The dielectric response of neat PE was compared with those of PE/clay nanocomposite with and without the compatibilizer in order to understand the effect of the quality of dispersion of nanoclay on dielectric response. In the nanocomposite materials two relaxation modes are detected in the dielectric losses. The first relaxation is due to a Maxwell-Wagner-Sillars interfacial polarization and the second relaxation is related to dipolar polarization. A relationship between the degree of dispersion and the relaxation rate fmax of Maxwell-Wagner-Sillars was found and discussed.

Secondly, PE/clay nanocomposites have been characterized by various techniques such as optical microscopy, AFM, TEM, TGA, DMTA and dielectric breakdown measurements. A correlation between structure and dielectric breakdown strength was discussed.

Finally, a 3D simulation model by the finite element method is developed in order to study the effect of dispersion of nanoclay particles, varying the permittivity and radius of the inclusion on effective permittivity, electric field distribution and polarization. The simulation results were compared with theoretical solution obtained from classical models.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 135-145.
Mots-clés libres: Matériaux nanocomposites Propriétés électriques. Matériaux nanocomposites Microstructure. Polyéthylène. Argile. Matérieux nanocomposites Propriétés thermiques. Matériaux nanocomposites Analyse Simulation par ordinateur. extrusion, intercalation, exfoliation, réponse diélectrique, rupture diélectrique, simulations MEF
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
David, Éric
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Ngô, Anh Dung
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 20 août 2014 19:12
Dernière modification: 20 août 2014 19:12
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1344

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