Dynamics in filled elastomers and consequences
Dynamique dans les élastomères renforcés et conséquences
Résumé
Model filled elastomers are studied in order to relate their microscopic structure to their macroscopic mechanical behavior. First, the polymer dynamics is studied by NMR and we highlight the existence of a gradient glass transition temperature around the solid fillers. We interpret the behavior of several samples at different temperatures with only two parameters: the thickness due to the grafters and the characteristic size of the gradient. This gradient model is still valid in the presence of solvent, as well as for the interpretation of calorimetric measurements. Moreover, the mechanical properties of the samples are measured in oscillatory shear. In addition to the Payne effect typically observed for reinforced elastomers, a non-harmonic signal is detected. The signal analysis shows the presence of strain-hardening and shearthinning within each cycle of solicitation. By comparison to the glassy bridge reinforcement model, we can attribute this behavior to the kinetics of destruction-rebirth of the glassy bridges during the solicitation. Finally, the arrangement of particles in each sample is determined by reverse Monte Carlo simulations based on neutron scattering measurements. Relating this to the polymer dynamics measurements, we show that there is not only a glassy polymer layer around the particles, but also a polymer fraction that is only slightly slowed-down but that contributes significantly to the non linear mechanical behavior of the samples.
Des élastomères renforcés modèles sont étudiés afin de mettre en relation leur structure microscopique avec leur comportement mécanique macroscopique. Tout d'abord, la dynamique des chaînes de polymères est étudiée par RMN. Nous mettons en évidence l'existence d'un gradient de température de transition vitreuse autour des charges solides. Nous interprétons ainsi le comportement de plusieurs échantillons à différentes températures avec simplement deux paramètres : l'épaisseur due aux greffons et la taille caractéristique du gradient. Ce modèle de gradient reste valable lors de l'ajout de solvant et permet également d'interpréter les résultats de calorimétrie des échantillons. Par ailleurs, les propriétés mécaniques des échantillons sont mesurées en cisaillement sinusoïdal. En plus de l'effet Payne classiquement observé pour les élastomères renforcés, une non harmonicité des signaux est détectée. Leur analyse montre la présence d'un raidissement et d'une rhéofluidification à l'intérieur de chaque cycle de sollicitation. Par comparaison avec des simulations obtenues par le modèle de renforcement par ponts vitreux, nous pouvons attribuer ce comportement à la cinétique de destruction - reformation des ponts vitreux au cours des sollicitations. Enfin, l'arrangement des particules dans chaque échantillon est déterminé grâce à des simulations Monte-Carlo inverses à partir de résultats de diffusion de neutrons. En faisant le lien avec les mesures de dynamique, nous montrons qu'en plus de la couche de polymère vitreux autour des particules, il existe une fraction de polymère plus faiblement ralenti qui joue un rôle non négligeable dans l'effet Payne.
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