Pourquoi nous aimons les nanocomposites polymères (et vous devriez aussi le faire !)

Les nanocomposites polymères sont l'un des sujets les plus brûlants de la technologie plastique aujourd'hui. Les nanocomposites sont des matériaux qui contiennent des fibres nanométriques maintenues dans une phase continue appelée matrice ou résine. Les nanoparticules sont celles dont la taille est comprise entre 1 et 100 nanomètres. (Un nanomètre est un milliardième de mètre). Ainsi les nanocomposites plastiques sont constitués de nanoparticules noyées dans de la résine plastique et sont un mélange quasi moléculaire de molécules de résine et de particules nanométriques.

Les nanocomposites ne sont pas un phénomène nouveau dans la nature. Une grande partie de la partie inorganique du sol est constituée de nanomatériaux, ce qui lui donne la capacité de filtrer les particules au niveau moléculaire ou nanométrique. Nos os sont des exemples de nanocomposite, tout comme des parties de coquilles de mollusques. Par exemple, la nacre (nacre) est constituée de couches alternées d'aragonite inorganique (CaCO₃ ) et un biopolymère organique. La nacre est deux fois plus dure et 1000 fois plus résistante que ses matériaux constitutifs.

Actuellement, les nanoargiles, également appelées nanominéraux, sont l'additif commercial le plus couramment utilisé pour la préparation de nanocomposites plastiques. Les nanoargiles représentent près de 80 % du volume total produit dans le monde. La nanoargile la plus largement utilisée est la montmorillonite, qui est un minéral très mou qui forme généralement une argile de cristaux microscopiques. Les nanofibres de carbone et les nanotubes de carbone gagnent également en utilisation commerciale. Les MWCNT, ou nanotubes de carbone multi-parois, sont utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs. De plus, un autre groupe de nanoparticules de plus en plus utilisées est celui des silsesquioxanes oligomères polyédriques synthétiques (POSS). Les POSS sont constitués d'atomes de silicium et d'oxygène liés entre eux sous une forme cubique, des atomes de silicium occupant les coins. Les nanofibres ont été mélangées avec une variété de polymères, notamment des polyamides (nylons), du polypropylène, du polystyrène, des résines époxy, des polyuréthanes, des polyimides, du PET et d'autres pour fabriquer des nanocomposites polymères utiles.

Alors, qu'est-ce qui rend les nanocomposites polymères meilleurs que les composites plastiques ordinaires ? En termes mécaniques, les nanocomposites polymères diffèrent des matériaux composites conventionnels en raison de leur rapport hauteur/largeur et de leurs rapports surface/volume exceptionnellement élevés, ainsi que de leurs rapports résistance/poids. Examinons ceci plus en détail :

• Le rapport hauteur/largeur est la longueur/le diamètre d'un objet. Ainsi, les particules avec un rapport d'aspect élevé sont longues et minces tandis que celles avec un rapport d'aspect faible sont courtes et larges. Les nanoparticules à rapport d'aspect élevé sont appelées (HARNS).

• Le rapport surface/volume est la quantité de surface par unité de volume d'un objet et est inversement proportionnel à la taille. Ainsi, les matériaux ayant un rapport surface/volume élevé sont ceux qui sont de petit diamètre ou très poreux. Ceux-ci réagissent à des vitesses beaucoup plus rapides que les matériaux monolithiques car une plus grande surface est disponible pour réagir. Un exemple simple se situe entre les particules de sel grossières et fines. Le gros sel se dissoudra plus lentement dans l'eau que les grains de sel fins qui ont un rapport surface/volume relativement élevé.

• Le rapport résistance/poids ou résistance spécifique est défini ici comme la force d'un matériau par unité de surface à la rupture divisée par sa densité. Les nanocomposites ont un rapport résistance/poids plus élevé que les composites renforcés de fibre de carbone ou de fibre de verre. La résistance à la traction de la fibre de carbone est de 6 300 MPa avec une résistance spécifique de 2 457 kN x m/kg tandis que celle des nanotubes de carbone est de 23 000 MPa et une résistance spécifique de 45 268 kN x m/kg.  Les nanocomposites contiennent généralement 2 à 10 % de charges sur une base pondérale, mais ces composites offrent des améliorations de propriétés égales ou supérieures à celles des composites polymères traditionnels contenant 20 à 30 % de minéraux ou de verre.

Les nanocomposites polymères sont utilisés dans diverses applications. A titre d'exemple, regardons l'utilisation des nanocomposites dans les anodes des batteries lithium-ion. Les anodes en nanocomposite silicium-carbone permettent un contact plus étroit avec l'électrolyte de lithium et ainsi une charge et une décharge plus rapides de l'énergie. Ils sont également utilisés dans les pales d'éoliennes pour leur rapport résistance/poids et dans les voitures et les avions pour améliorer l'efficacité énergétique.

Utilisez-vous des nanocomposites polymères dans vos applications ? Parlez-moi de cela dans la section commentaires ci-dessous.

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