Façonner l’interface à l’échelle nanométrique dans les nanocomposites particules-polymères pour orienter les fonctionnalités macroscopiques des matériaux – NANOINTERPROP

Il est communément admis depuis deux décennies que l’incorporation de nanoparticules (NPs) dans une matrice de polymère conduit à la formation de matériaux présentant des propriétés significativement améliorées telles que les propriétés mécaniques, électriques, optiques, ou de transport. En conséquence, les polymères nanocomposites (PNCs) présentent un potentiel stratégique important pour des industries émergentes telles que le stockage de l’énergie, l’industrie des pneumatiques, des peintures ou des implants médicales. Ces mélanges d’intérêt, dont la structure et la dynamique locale sont pilotés par des interactions à l’échelle nanométrique, posent également des interrogations nouvelles de physique fondamentale associées au rôle des chaînes de polymères confinées et aux mécanismes d’agrégation colloïdales. Jusqu’à maintenant le champ de recherche des PNCs s’est principalement focalisé sur l’optimisation de la contribution du réseau de charges – spécifiquement le contrôle de l’arrangement des NPs dans la matrice de polymère – pour l’amélioration des propriétés macroscopiques. Néanmoins, les tendances générales décrivant les mécanismes qui gouvernent les relations structure-propriétés ne sont pas clairement établies. Certains résultats montrent des corrélations claires entre la morphologie des renforts et les propriétés des matériaux via la percolation qui augmente le renforcement mécanique, la conductivité thermique et électrique dans ces matériaux hybrides. Cependant, il n’est pas clair si cette percolation résulte uniquement des NPs ou d’une contribution inter-faciale entre le polymère et les NPs induisant des modifications de la dynamique des chaînes de polymère. Des percées significatives peuvent être attendues dans le champ de recherche des PNCs si l’on parvient à une description précise des effets d’interfaces et de la dynamique multi-échelle. Ce projet a pour objectif de développer de nouvelles méthodologies pour la conception de PNCs bien définis présentant des propriétés d’interfaces modulables permettant d’optimiser les propriétés fonctionnelles des matériaux. Pour atteindre cet objectif, nous proposons un projet pluridisciplinaire cohérent allant de la synthèse des polymères, au greffage, à la préparation et la caractérisation des PNCs, incluant la dynamique et les propriétés macroscopiques, et un transfert de connaissances vers des systèmes importants pour l’industrie des pneumatiques (Michelin). La nouveauté de l’étude est un point particulièrement critique au regard de l’état de l’art existant dans le domaine des PNCs. Premièrement, nous allons synthétiser une série de NPs greffées présentant des degrés variables d’interaction chaine-NP, de mobilité, de rigidité et de poly-dispersité. Alors que beaucoup de travaux précédents ont focalisés sur les modifications des interactions à la surface des NPs, nous proposons un nouveau mécanisme par l’introduction de ponts labiles qui permettront de dé-greffer in-situ les chaînes des NPs, sans modifier la dispersion spatial, et d’en examiner les conséquences sur la détérioration des propriétés. En second lieu, nous allons préparer une nouvelle classe de PNCs en nous basant sur un nouveau paradigme d’assemblage. Alors que de nombreux précédents travaux ont focalisés sur deux stratégies, les NPs tensio-actives ou les effets de cisaillements pour atteindre ce but, nous proposons de contrôler l’assemblage des NPs via le taux de cristallisation de la matrice. Finalement, nous proposons le transfert des méthodes et concepts sur des systèmes réels de l’industrie pneumatique. Le projet présenté est un projet de recherche collaboratif (PRCE) entre 4 partenaires experts dans (i) la polymérisation et greffage innovant (ii) des approches théoriques et expérimentales pour assembler des NPs fonctionnalisées dans une matrice polymère (iii) la caractérisation et modélisation des fonctionnalités macroscopiques des matériaux composites en relation avec leur structure et leur dynamique.