Mélanges de polymères et composites

Le mélange de polymères ou leur renforcement avec des fibres et des charges combine les atouts de différents matériaux, créant des systèmes multiphasiques dont les interfaces et la morphologie déterminent l'équilibre final entre rigidité, ténacité et autres propriétés.

Definition

Les mélanges de polymères sont des mélanges physiques de deux polymères ou plus, et les composites polymères sont des matériaux dans lesquels une matrice polymère est renforcée par des fibres ou des particules ; les deux sont des systèmes multiphasiques dont les propriétés dépendent de la composition, de la morphologie des phases et de l'adhésion interfaciale.

Scope

Ce sujet aborde les combinaisons physiques de polymères et de renforts : les mélanges miscibles versus immiscibles et la rareté de la miscibilité, la morphologie des phases et la compatibilisation, le renforcement des polymères fragiles par du caoutchouc dispersé, ainsi que les composites renforcés de fibres et de particules, incluant le rôle de l'interface et l'estimation de la rigidité par la règle des mélanges.

Core questions

• Pourquoi la plupart des paires de polymères sont-elles immiscibles, et quelle morphologie en résulte ?
• Comment la compatibilisation améliore-t-elle les propriétés des mélanges ?
• Comment le caoutchouc dispersé renforce-t-il un plastique fragile ?
• Comment la géométrie du renfort et l'interface contrôlent-elles la rigidité et la résistance des composites ?

Key theories

Comportement de phase et compatibilisation des mélanges

Étant donné que le mélange de longues chaînes n'apporte que peu d'entropie, la plupart des mélanges se séparent en phases ; la taille et l'adhésion de la phase dispersée contrôlent les propriétés, et les compatibilisants à blocs ou greffés réduisent la tension interfaciale et stabilisent une morphologie fine et bien liée.

Renforcement et transfert de charge dans les composites

Les fibres ou particules rigides supportent la charge transférée à travers l'interface matrice-renfort, ainsi, la rigidité du composite augmente avec la teneur et l'orientation du renfort, tandis que la ténacité et la résistance dépendent de manière critique de l'adhésion interfaciale et de la longueur des fibres.

Mechanisms

Lorsque deux polymères sont mélangés à l'état fondu, la faible entropie de mélange les rend généralement immiscibles, de sorte que l'un se disperse sous forme de domaines dans l'autre ; la taille des domaines et l'adhésion interfaciale, ajustables avec des compatibilisants, déterminent si le mélange est fragile ou tenace. Les particules de caoutchouc dispersées renforcent une matrice vitreuse en initiant et en contrôlant de nombreuses petites craquelures (crazes) ou bandes de cisaillement qui absorbent l'énergie. Dans les composites, la charge appliquée est transférée de la matrice souple aux fibres ou particules rigides à travers leur interface, ainsi, le module, la fraction volumique, le rapport d'aspect et l'orientation du renfort, ainsi que la liaison interfaciale, déterminent la rigidité et la résistance globales.

Clinical relevance

Les mélanges et les composites dominent les applications d'ingénierie car ils permettent d'atteindre des combinaisons de propriétés qu'aucun polymère seul ne peut offrir : les plastiques renforcés au caoutchouc tels que le polystyrène choc et l'ABS offrent une résistance aux chocs, les alliages de polymères ajustent le coût et les performances, et les composites renforcés de fibres fournissent des matériaux légers, rigides et résistants pour l'aérospatiale, l'automobile, les articles de sport et la construction.

History

Les plastiques renforcés au caoutchouc sont apparus au milieu du XXe siècle avec le polystyrène choc et l'ABS, les mélanges de polymères et les réseaux interpénétrés ont été systématisés à partir des années 1970, et les composites haute performance renforcés de fibres de verre, de carbone et d'aramide ont connu une croissance rapide au cours de la même période pour répondre aux demandes de matériaux structurels légers.

Key figures

• Leslie Sperling
• Souheng Wu

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

Pourquoi la plupart des mélanges de polymères sont-ils immiscibles ?

Le mélange de longues chaînes n'apporte que très peu d'entropie, de sorte que même de petites interactions défavorables provoquent une séparation de phase. La plupart des mélanges consistent donc en un polymère dispersé sous forme de domaines au sein d'un autre plutôt que de former une solution uniforme.

Comment l'ajout de caoutchouc rend-il un plastique plus tenace ?

Les particules de caoutchouc dispersées agissent comme des concentrateurs de contraintes qui déclenchent de nombreuses petites craquelures (crazes) ou bandes de cisaillement absorbant l'énergie, au lieu d'une seule fissure catastrophique. Cela répartit la déformation et augmente considérablement la résistance aux chocs.