Nanocomposites de polycétone aliphatique renforcées au graphène : Vers une alternative durable aux polyamides

Belgacem, Omayma (2026). Nanocomposites de polycétone aliphatique renforcées au graphène : Vers une alternative durable aux polyamides. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La polycétone aliphatique (PK) est un polymère technique émergent présentant des propriétés mécaniques et barrières compétitives par rapport aux polymères techniques conventionnels tels que le polyamide 66 (PA66), tout en offrant une empreinte environnementale plus faible. Toutefois, sa stabilité thermique modérée lors du compoundage ainsi que les difficultés associées à sa mise en oeuvre à l’état fondu limitent son utilisation dans des applications techniques exigeantes.

Dans ce contexte, l’incorporation de nanoplaquettes de graphène apparaît comme une stratégie prometteuse. Grâce à leurs remarquables propriétés thermiques, lubrifiantes et mécaniques, ces charges nanocarbonées peuvent agir comme des additifs multifonctionnels capables d’améliorer simultanément la processabilité, la stabilité thermique et les performances mécaniques de la PK.

L’objectif de ce travail est d’évaluer le potentiel du graphène pour améliorer la processabilité ainsi que les propriétés thermiques, mécaniques et thermomécaniques de la PK commerciale et des composites PK renforcés par fibres de verre (GF). À cette fin, deux grades de graphène multicouche (FLG), nommés FLG1 et FLG2 et différant par leur surface spécifique, ont été incorporés séparément dans la matrice PK par mélange à l’état fondu afin de préparer des nanocomposites PK/FLG. Par la suite, des composites hybrides PK/FLG/GF ont également été élaborés afin de combiner les effets de renforcement du graphène et des fibres de verre.

Les propriétés thermiques, mécaniques et thermomécaniques des matériaux élaborés ont été étudiées par analyse thermogravimétrique (TGA), calorimétrie différentielle à balayage (DSC), analyse mécanique dynamique (DMA), ainsi que par des essais mécaniques de traction et de flexion. Les résultats montrent que l’ajout de graphène améliore la processabilité de la PK, notamment par une réduction du couple de mélange lors du malaxage à l’état fondu. De plus, une amélioration de la stabilité thermique à haute température a été observée, suggérant un potentiel prometteur pour l’amélioration de la résistance au feu des composites.

L’étude du comportement de cristallisation indique que le graphène agit comme agent nucléant, modifiant la cinétique de cristallisation de la PK tout en restreignant la mobilité segmentaire des chaînes macromoléculaires à l’interface PK/graphène. Cet effet, confirmé par les analyses DMA, est plus prononcé pour le grade FLG2, doté de la surface spécifique la plus élevée, indiquant une interaction interfaciale plus forte avec la matrice polymère.

Du point de vue mécanique, les nanocomposites présentent une augmentation notable de la rigidité et de la résistance, particulièrement en flexion et en présence du grade FLG2. Par exemple, l’incorporation de FLG2 entraîne une augmentation progressive du module d’Young atteignant environ 27 % à 5 % massique de FLG2, tandis que les augmentations maximales du module et de la résistance en flexion étaient respectivement de 61 % et 47 %, pour une teneur de 1 % en FLG2. Enfin, l’incorporation simultanée de faibles teneurs en FLG comprises entre 0.5 et 1 % massique et de 15 à 30 % massique de fibres de verre conduit à un effet synergique, se traduisant par une augmentation de la rigidité et de la résistance, particulièrement en flexion. Cet effet est attribué à une meilleure interaction à l’interface PK/GF en présence de FLG. Il a été observé que l’incorporation de 0.5 à 1 % massique de FLG2 permettait de substituer au moins 5 % massique de fibres de verre tout en maintenant des performances mécaniques équivalentes ou supérieures.

Ces résultats démontrent que le graphène constitue un additif multifonctionnel efficace pour optimiser les performances de la PK tout en préservant son potentiel en tant que polymère technique durable.

Titre traduit

Graphene-reinforced aliphatic polyketone nanocomposites: Towards sustainable alternatives to polyamides

Résumé traduit

Aliphatic polyketone (PK) is an emerging engineering polymer exhibiting competitive mechanical and barrier properties compared with conventional engineering polymers such as polyamide 66 (PA66), while offering a lower environmental footprint. However, its moderate thermal stability during compounding and the difficulty associated with its melt processing limit its use in technical applications.

In this context, the incorporation of graphene nanoplatelets appears to be a promising strategy. Owing to their remarkable thermal, lubricating, and mechanical properties, these nanocarbon fillers can act as multifunctional additives capable of simultaneously improving the processability, thermal stability, and mechanical performance of neat PK and PK/glass fibers composites.

The objective of this work is to evaluate the potential of graphene to enhance the processability as well as the thermal, mechanical, and thermomechanical properties of commercial PK and glass fiber (GF) reinforced PK composites. To this end, two grades of few-layer graphene (FLG), named FLG1 and FLG2 and differing in their specific surface area, were separately incorporated into the PK matrix through melt compounding to prepare PK/FLG nanocomposites. Subsequently, hybrid PK/FLG/GF composites were also developed to combine the reinforcing effects of both graphene and glass fibers.

The thermal, mechanical, and thermomechanical properties of the prepared materials were investigated using thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA), as well as tensile and flexural mechanical tests. The results show that the addition of graphene improves the processability of PK, particularly through a reduction in the mixing torque during melt mixing. Furthermore, an improvement in thermal stability at high temperatures was observed, suggesting a promising potential of graphene for enhancing the fire resistance performance of the composites.

The crystallization behaviour study indicates that graphene acts as a nucleating agent, modifying the crystallization kinetics of PK while restricting the segmental mobility of macromolecular chains at the PK/graphene interface. This latter effect, confirmed by DMA analysis, is more pronounced for the highest surface area FLG2 grade, indicating a stronger interfacial interaction with the polymer matrix.

From a mechanical standpoint, the nanocomposites exhibit a noticeable increase in stiffness and strength, especially under flexural deformation and in the presence of FLG2 grade. For instance, the incorporation of FLG2 leads to a progressive increase in Young’s modulus, reaching approximately 27% at 5 wt% FLG2 while the maximum increase in flexural modulus and strength were respectively 61% and 41%, at 1% FLG2. Finally, the simultaneous incorporation of low FLG contents in the range 0.5 to 1 wt% and 15 to 30 wt% GF leads to a synergistic effect, resulting in increased stiffness and strength, especially in the flexural mode, and attributed to better interaction at the interface PK/GF in the presence of FLG. It was seen that the incorporation of 0.5 to 1 wt% FLG2 could substitute at least 5 wt% GF in the hybrid composites while maintaining equivalent or better mechanical performance.

These results demonstrate that graphene is an effective multifunctional additive for optimizing the performance of PK and its glass fibers reinforced composites while maintaining its potential as a sustainable engineering polymer.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 103-109).
Mots-clés libres:	polycétone aliphatique, polymères techniques durables, nanoplaquettes de graphène, nanocomposites polymères, stabilité thermique, processabilité
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Helal, Emna
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	23 sept. 2026 18:44
Dernière modification:	23 sept. 2026 18:44
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4103

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