Nanocomposites à matrice polymère : 

Au cours des 20 dernières années, une attention très particulière a été portée sur la synthèse de nanocomposites à matrice polymère.  Ils constituent une classe de matériaux émergente aux propriétés prometteuses  notamment en termes de propriétés mécaniques,  propriétés barrières,  stabilité thermique,  retardateurs de flamme,  matériaux à module d’élasticité élevé. Ceci est dû essentiellement à la très grande surface d’interaction entre la matrice polymère et le nanorenfort et à la morphologie de l’ensemble.

Parmi les différents nanorenforts décrits, une attention particulière a été portée aux argiles pour l’élaboration de nanocomposites. Les argiles (phyllosilicates) se trouvent être l’un des renforts idéals pour les polymères et ce, essentiellement grâce à la surface de contact très élevée des argiles dispersées.  Les nanocomposites lamellaires sont aussi des systèmes très prometteurs pour de nouvelles applications technologiques comme dans les domaines de l’aérospatial, l’automobile, la biotechnologie, l’électronique, l’énergie, la médecine et l’industrie optique.  Il a été établi que des améliorations considérables des propriétés physiques telles que la résistance et le module de traction, la température de distorsion thermique et la perméabilité aux gaz peuvent être obtenues par addition d’une faible fraction d’argile à la matrice polymère et ce, sans nuire à l’homogénéité optique du matériau.

Argiles : 

L’incorporation de silicates lamellaires dans la matrice de polymère est connue depuis plus de 50 ans.  En effet, l’une des premières études systématiques sur l’interaction entre une argile minérale et une macromolécule remonte à 1949, lorsque Bower  décrit l’absorption d’ADN par la montmorillonite.

Les argiles utilisées pour la synthèse des nanocomposites sont des minéraux naturels ou synthétiques qui consistent en des couches très fines liées entre elles par des contre-ions. Leur principale caractéristique est de posséder une structure cristalline en feuillet d’épaisseur nanométrique. Leur bloc de construction de base consiste en couches tétraédriques dans lesquelles le silicium est entouré par quatre atomes d’oxygène et des couches octaédriques dans lesquelles un métal comme l’aluminium est entouré par huit atomes d’oxygène. Il est ainsi possible de classer les argiles en trois différents types selon le rapport de ses deux couches :

Type 1 :1 :
Une feuille d’aluminium octaédrique et un feuillet tétraédrique de silicium sont condensés dans un rapport 1:1 de telle manière que les atomes d’oxygène soient partagés.

Les couches sont maintenues ensemble par liaison hydrogène entre les groupes hydroxyles des feuillets octaédriques et l’oxygène des feuillets tétraédriques. L’espace entre les couches est occupé par des molécules d’eau. Nous pouvons citer à titre d’exemple, la kaolinite, la perlite, l’halloysite, etc.

Type 2:1
Dans ce type de réseau cristallin, le feuillet octaédrique d’aluminium est pris en sandwich entre deux feuillets tétraédriques de silicium. L’épaisseur de la couche est de l’ordre de 1 nm et les dimensions latérales peuvent varier de 300 A° à plusieurs microns ou plus encore selon les particules de silicates, l’origine de l’argile et la méthode de préparation.

La structure basique 2:1 avec aucun atome de substitution est nommée pyrophyllite. Celle-ci ne gonfle pas dans l’eau et ne possède ainsi qu’une surface de contact externe. La structure obtenue par substitution du silicium de la couche tétraédrique par l’aluminium est nommée mica. La charge de la surface de l’agile devient négative et est contrebalancée par les ions de potassium présent dans les intercouches. La taille des ions de potassium correspond à l’espace hexagonal créée par la couche tétraédrique de Si / Al, ces ions sont ainsi capables de s’insérer étroitement entre les couches. Il en résulte un effondrement des espaces intercouches. Les couches sont maintenues ensemble par attraction électrostatique entre la couche tétraédrique chargée négativement et les cations de potassium. Le mica ne gonfle pas non plus dans l’eau.

Si le cation Al3+ de la couche octaédrique dans la structure pyrophyllite est partiellement substitué par un cation divalent Mg2+, la structure Montmorillonite est formée. Celle-ci est la plus connue de la famille des argiles appelée « smectites ». Dans ce cas, la charge globale négative est contrebalancée par les ions sodium et calcium qui existent sous forme hydratée dans l’espace interfoliaire ce qui permet de conserver l’électroneutralité de la structure. Du fait que ces ions ne pénètrent pas dans la couche tétraédrique, comme dans le mica, et que les couches sont maintenues ensemble par des forces relativement faibles, l’eau et d’autres molécules polaires peuvent pénétrer ce qui induit une extension de la matrice.

Capacité d’échange cationique (CEC) : 

C’est la capacité de l’argile à interagir avec les espèces chimiques présentes dans une solution aqueuse. Ces espèces chimiques, qui peuvent être aussi bien ioniques que moléculaires, vont pouvoir s’adsorber ou s’absorber sur la surface externe des particules d’argile ou sur les surfaces internes. Elle est mesurée en nombre de charges fixées sur la surface de l’argile et plus précisément, en nombre de moles de charges ioniques pour 100 g d’argile séchée (milliéquivalent/100 g).  Cette propriété est très dépendante de la nature des substitutions isomorphes dans les couches tétraédriques et octaédriques de l’argile. Chaque type d’argiles présente ainsi sa CEC spécifique allant d’environ 0.9-1.2 mequiv/100g. La charge de la couche n’étant pas constante et variant d’une couche à une autre, La CEC est considérée comme une valeur moyenne. Il est à noter que lorsque plusieurs espèces cationiques sont présentes dans une solution, un processus de sélection va s’opérer entre les différentes espèces : plus un cation est présent en forte concentration dans la solution, plus il sera présent à la surface de l’argile. A titre d’exemple, Na montmorillonite, composée de deux couches tétraédriques de silice externes et une couche centrale octaédrique possédant une charge de 0,67 par maille unitaire de formule [Al3,33Mg0,67] –0,67Si8O20(OH)4 et d’un espace interfoliaire aqueux contenant 0,67 Na+ par maille élémentaire (n × H2O)Na0,67, est obtenue en plaçant de la montmorillonite naturelle dans une solution aqueuse de chlorure de sodium.

Structure des nanocomposites : 

Suivant la méthode utilisée pour la préparation des nanocomposites à base de Polymère– argile et la nature des composés utilisés ( l’argile organiquement modifiée ou non, cation organique et polymère), il est possible d’obtenir principalement trois types de composites différents :

Les microcomposites
L’argile reste dans son état agrégé et le polymère ne peut s’intercaler entre les couches de silicates. Une séparation en phases distinctes a lieu conduisant à un système immiscible avec une faible attraction physique entre les composants organiques et inorganiques.Les propriétés mécaniques du système global sont mauvaises .

Les nanocomposites intercalés
Dans ce cas, l’argile est dispersée sous forme d’empilements de plaquettes plus ou moins interconnectées appelés tactoïdes. Les chaînes de polymère pénètrent entre les feuillets  d’argile provoquant une extension de l’espace interfoliaire. Une structure multicouche ordonnée est obtenue avec une alternance ente les couches de polymère et les couches inorganiques. L’intercalation induit une séparation des plaquettes de moins de 20–30˚A  .

Les nanocomposites exfoliés ou délaminés
Dans ce type de nanocomposite,les feuillets d’argile sont bien séparés entre eux et  uniformément dispersés dans la matrice polymère. Dans ce cas, le polymère sépare les couches d’argile de plus de 80 –100 A°. C’est la structure la plus intéressante car elle permet d’avoir une interaction maximale entre les feuillets d’argile et la matrice polymère ; la quasitotalité de la surface d’interfaces est concernée  .