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Optimisation des propriétés barrières de membranes nanocomposites à base de caoutchouc nitrile contre les solvants organiques

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Zemzem, Mohamed (2019). Optimisation des propriétés barrières de membranes nanocomposites à base de caoutchouc nitrile contre les solvants organiques. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les propriétés de barrière des polymères peuvent être altérées de manière significative par l’inclusion de nanoargiles lamellaires imperméables. L’amélioration de ces propriétés est gouvernée par l’étendue de dispersion des lamelles ainsi que par leur orientation dans la matrice polymère. La présente thèse consiste à développer des matériaux nanocomposites à base de caoutchouc nitrile, chargés de nanoargiles lamellaires, ayant des propriétés barrières optimisées. La démarche suivie est scindée en trois étapes.

Dans un premier temps, la synthèse des nanocomposites a été réalisée en utilisant trois protocoles différents rencontrés dans la littérature; extrusion, mixage et voie chimique. La résistance aux solvants a été évaluée par une technique gravimétrique de prise de masse et les résultats obtenus montrent un effet évident des paramètres de fabrication. Des analyses effectuées par deux techniques de diffraction des rayons X en combinaison avec des observations microscopiques ont permis de conclure que les améliorations résultent de l’éloignement des lamelles nanoargiles.

Suite à ces considérations, l’effort s’est concentré sur l’optimisation de la délamination des plaquettes nanoargiles empilées tout en assurant leur orientation selon les directions latérales. La méthode adoptée consiste à appliquer des modifications chimiques sur la structure de la matrice caoutchouteuse ainsi que sur la surface des lamelles nanoargiles afin d’améliorer l’affinité entre les deux. D’une part, un monomère d’anhydride maléique doté d’une polarité élevée est greffé sur la chaîne macromoléculaire du caoutchouc nitrile et d’autre part, des nanoargiles avec des fonctionnalisations organiques ont été utilisées. La mise en forme par extrusion est retenue pour maintenir l’orientation. Des analyses spectroscopiques ont validé le greffage du monomère et des tests de thermogravimétrie ont confirmé la stabilité des surfactants organiques sur les nanoargiles durant la fabrication. Les analyses effectuées sur l’étendue de la délamination des empilements nanoargiles ont montré une augmentation substantielle de la présence des lamelles individuelles. En outre, l’intercalation est plus prononcée. Les résultats rendent compte d’une excellente corrélation entre les analyses en diffractométrie et les observations microscopiques. De plus, une étude statistique menée à travers une analyse dispersive en énergie a montré l’effet de la modification chimique sur la bonification de l’homogénéité des nanoargiles dans la matrice. De surcroît, l’orientation est évaluée par une approche tridimensionnelle appliquée sur des stéréographies de diffraction. Les résultats montrent un alignement privilégié selon la direction de l’extrusion.

La synthèse d’un nanocomposite doté d’une morphologie optimisée ayant abouti, les propriétés barrières aux solvants sont testées. Le transport moléculaire se manifeste lors du processus de pénétration du liquide et il est étudié en se basant sur les lois de Fick. L’absorption du solvant dans le nanocomposite greffé est nettement plus faible comparativement au nanocomposite conventionnel. Les paramètres de la cinétique de migration des molécules pénétrantes ont aussi été évalués. Le nanocomposite greffé présente une réduction notable de la diffusivité du solvant à travers sa structure, ainsi qu’une diminution de son coefficient de perméation. Sauf quelques exceptions, ces observations sont validées pour trois solvants différents et à quatre températures allant de 23 à 70 °C. Il a été montré que tous les paramètres relatifs au transfert de masse sont augmentés sous l’effet de l’accroissement de la température. L’effet inverse est observé avec l’augmentation de la taille de la molécule pénétrante.

Titre traduit

Barrier properties optimization of nitrile rubber based nanocomposite membranes against organic solvents

Résumé traduit

The barrier properties of the polymers can be significantly altered by the inclusion of impermeable lamellar nanoclays. The improvement of these properties is governed by the extent of the lamellar dispersion as well as by their orientation in the polymeric matrix. The present thesis consists in developing nanocomposite materials based on nitrile rubber, loaded with lamellar nanoclays, to optimize barrier properties. The adopted approach is divided into three stages.

In a first step, the synthesis of nanocomposites was achieved using three different protocols found in the literature. The resistance against solvents was evaluated by a gravimetric technique based on mass uptake experiments and the obtained results showed an obvious effect of processing parameters. Analyses carried out by two X-ray diffraction techniques combined with microscopic observations led to the conclusion that obtained improvements result from the intercalation of the lamellar nanoclays.

Given these considerations, the effort was focused on optimizing the delamination of the nanoclay platelets while ensuring their orientation along lateral directions of the membrane. The adopted method consisted in applying chemical modifications on the structure of the rubbery matrix as well as on the surface of the nanoclay lamellae in order to improve the affinity between the two. On the one hand, a maleic anhydride monomer having a high polarity was grafted onto the macromolecular chain of nitrile rubber and, on the other hand, nanoclays with organic functionalizations have been used. As a processing method, extrusion was retained to ensure a maximum of orientation. Spectroscopic analyzes validated the maleic anhydride grafting and thermogravimetric tests confirmed the stability of the organic surfactants on the nanoclays during processing. Microscopic analyses have shown a substantial increase in the presence of individual lamellae which confirms the delamination of nanoclay stacks. In addition, intercalation state seemed to be more pronounced. The results reflected an excellent correlation between the diffraction analysis and the microscopic observation. Furthermore, a statistical study conducted through a dispersive energy analysis showed the chemical modification effect on the improvement of the nanoclays homogeneity in the matrix. Besides, the orientation was evaluated by a three-dimensional approach applied to small angle diffraction stereograms. The results revealed a privileged alignment according to the direction of the extrusion.

After achieving the synthesis of a nanocomposite with an optimized morphology, the barrier properties of solvents were tested. Molecular transport occurring during the liquid penetration process was studied based on Fick's laws. The absorption of the solvent in the grafted nanocomposite was significantly lower compared to a conventional nanocomposite. The kinetic parameters of mass transfer were also evaluated. The grafted nanocomposite exhibited a significant reduction in the diffusivity of the solvent through its structure, as well as a decrease in its permeation coefficient. With some exceptions, these observations were validated for three different solvents and at four temperatures ranging from 23 to 70 °C. It has been shown that all mass transfer parameters were exacerbated by the increase in temperature. However, an opposite effect was observed with increasing the molecular size of the penetrant.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 157-178).
Mots-clés libres: nanoargile lamellaire, caoutchouc nitrile, nanocomposite, transfert de masse, propriétés barrières, lois de Fick
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Hallé, Stéphane
Codirecteur:
Codirecteur
Vinches, Ludwig
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 08 juill. 2019 20:15
Dernière modification: 08 juill. 2019 20:15
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2332

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