WO2006128261A1 - Procede de dispersion de nanotubes de carbone dans une matrice polymerique - Google Patents

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WO2006128261A1
WO2006128261A1 PCT/BE2006/000061 BE2006000061W WO2006128261A1 WO 2006128261 A1 WO2006128261 A1 WO 2006128261A1 BE 2006000061 W BE2006000061 W BE 2006000061W WO 2006128261 A1 WO2006128261 A1 WO 2006128261A1
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polymer
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coating
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Michäel ALEXANDRE
Daniel Bonduel
Michäel CLAES
Philippe Dubois
Sophie Peeterbroeck
Sven Pegel
Petra PÖTSCHKE
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Nanocyl S.A.
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Definitions

  • the present invention relates to the field of composite materials and more particularly nanocomposites.
  • the invention relates to an improved method of dispersion of carbon nanotubes in a polymer matrix.
  • the polymeric matrix composites there are, according to the size of the particles, the "microcomposites” whose three dimensions of the charge are greater than or equal to one micrometer, and the “nanocomposites” for which at least one of the three dimensions the charge is less than 100 nm, or even of the order of one to a few tens of nanometers.
  • Nanocomposites are of particular interest in the industrial field because they have remarkable properties for relatively low charge rates, that is to say less than 10% by weight. Indeed, they provide a significant improvement in the mechanical or electrical properties of the polymer matrix. Moreover, unlike fibrillar type reinforcements, they reinforce the polymeric matrix in all directions of space.
  • the nanocomposites comprising particulate filler carbon nanotubes have already been proposed for different applications.
  • WO 02/16257 discloses a composition which comprises single-walled carbon nanotubes coated with a polymer.
  • the document WO 2005/012170 discloses a particular coating process, which makes it possible to increase the compatibility of the carbon nanotubes with the polymer matrix in which it is desired to disperse them. This makes it possible to obtain a homogeneous and stable dispersion of carbon nanotubes in a polymer matrix.
  • This process is characterized in that the carbon nanotubes are used as a catalyst support by fixing on their surface a co-catalyst / catalyst pair to thereby form a catalyst system.
  • the catalytic system is activated before the polymerization is performed on the surface of the carbon nanotubes in order to obtain a coating around these carbon nanotubes.
  • the coating polymer used in the method described above involves a coating polymer miscible with the polymer matrix of the composite.
  • the present invention aims to provide a solution that does not have the disadvantages of the state of the art.
  • the present invention aims to provide an improved method of dispersion of carbon nanotubes in a polymeric matrix that is either immiscible compatible or incompatible immiscible. with the coating polymer of carbon nanotubes.
  • the present invention also aims to provide a use of the improved dispersion process for obtaining a nanocomposite in which the carbon nanotubes are dispersed homogeneously at the nanoscale in a polymer matrix.
  • the present invention relates to a method of. dispersion of carbon nanotubes in a polymer matrix 'host comprising the steps of: preparation of carbon nanotubes coated with a coating polymer by a process for the polymerization of a monomer using a catalytic system in which said carbon nanotubes are used as catalytic support, said carbon nanotubes comprising in said catalytic polymerization system of said coating polymer, said coating polymer being immiscible with said polymeric host matrix,
  • polymeric host matrix means a polymer that forms the matrix of a composite in which particles are dispersed, also called charges.
  • Two polymers are deemed immiscible compatible or incompatible when, at various scales of measurement, there is a phase separation effect. This phase separation can be observed at the micrometric scale by observing the mixture with a scanning electron microscope, often leaving nodules of the minority polymer in the majority polymer. At the quasi-molecular scale, the non-miscibility of two polymers is observed by the presence of two vitreous transition temperatures characteristic of the two polymers constituting the mixture. These glass transitions can be measured by various techniques such as differential scanning calorimetry or dynamic mechanical analysis. Two polymers are deemed immiscible when the free energy of the mixture ( ⁇ G m i x ) is greater than or equal to zero.
  • Two polymers are deemed incompatible immiscible when the free energy of the mixture is greater than or equal to 0, when no change in the respective glass transition temperatures (T g) of the partners is observed when the mixture has a Flory-Huggins ⁇ (chi) parameter greater than zero, and the interfacial tension is high.
  • the interfacial tension which is proportional to the square of the ⁇ (chi) parameter of Flory-Huggins, is considered as
  • Two polymers are deemed immiscible compatible when the free energy of the mixture is greater than or equal to 0, when there are observed changes in glass transition temperature (T g) partners, when the mixture has a parameter ⁇ (chi) of Flory-Huggins weak but greater than zero, and that the interfacial tension is low, between 0 and 2mN / m.
  • the interfacial tension which is proportional to the square of the Flory-Huggins ⁇ (chi) parameter, is considered “low” when it is between 0 and 2mN / m.
  • the interfacial tension is considered to be low when it is of the order of 2 mN / m and, with regard to a polyethylene / polyamide or polyethylene / polycarbonate mixture, it is considered to be weak. when it is greater than 2irtN / m.
  • the invention comprises one or more of the following features: the compatible immiscible polymer matrix is a polymer forming two phases with said coating polymer during mixing and having a free energy of the mixture ( ⁇ G m i x ) greater than zero; the compatible immiscible host polymeric matrix is selected from the group formed by polypropylene, ethylene-vinyl acetate copolymer
  • the polymeric host matrix is an incompatible immiscible polymer, forming two phases with said coating polymer and having a chemical structure different from that of said coating polymer, mixing said coating polymer and the polymer matrix; host with a Flory-Huggins ⁇ (chi) parameter greater than zero and high interfacial tension.
  • the incompatible immiscible polymeric host matrix is selected from the group formed by polyamides (PA), polycarbonate (PC), polyether-ether-ketone (PEEK), polyetherketone (PEK), polystyrene polyoxymethylene (POM), polyethyleneimine (PEI), polysulfone (PSU), polyacetal, polyetherimide, polyimide, polysulfene, polyacrylonitrile, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polyurethane, poly-tetra-fluoroethylene, polyester, polyvinylidene fluoride, polyvinylchloride, polyethersulfide, poly perfluoroaldoxyethylene, and mixtures thereof; the coating polymer is selected from the group formed by polyethylene, polypropylene, copolymers with alpha-olefins, conjugated alpha-diolefin polymers, polystyrene, polycycloalkenes, polynorbornene, polynor
  • the coating polymer is a polymer of alpha-olefins; the coating polymer is polyethylene;
  • the coating polymer of the carbon nanotubes represents, by weight, between 10 and 90% of the total weight of the coated nanotubes
  • the quantity of carbon nanotubes represents, by weight, between 0.1 and 5% of the total weight of the host polymeric matrix
  • the quantity of carbon nanotubes represents, by weight, between 0.1 and 1% of the total weight of the host polymeric matrix; the carbon nanotubes are multiwall carbon nanotubes (MWNT).
  • the present invention also discloses the use of an immiscible carbon nanotube coating polymer compatible or incompatible with a polymeric host matrix for obtaining a homogeneous dispersion at the nanoscopic scale. said carbon nanotubes within the polymeric host matrix.
  • carbon nanotube dispersion is defined homogeneously "on the nanoscopic scale” as a homogeneous distribution of carbon nanotubes at a scale of one billionth of a meter. At this scale, carbon nanotubes are essentially individualized from each other and form practically no agglomerates or aggregates.
  • nanocomposites is understood to mean composite materials having a polymeric matrix and incorporating nanoparticles as filler, namely particles of which at least one of the dimensions is smaller than or equal to 100 nm. It is also possible that at least one of the dimensions of the particles is of the order of one to several tens of billionth of a meter.
  • FIG. 1 represents the different preparation steps for the carbon nanotubes coated with for steps (i) and (ii), fixation of the cocatalyst
  • FIG. 2B shows multiwall nanotubes coated with 51% by weight of high density polyethylene, observed by scanning electron microscopy.
  • FIG. 2C represents multiwall wall nanotubes coated with 83% by weight of high density polyethylene, observed by scanning electron microscopy.
  • FIG. 3A represents uncoated multiwall carbon nanotubes observed by transmission electron microscopy (TEM), as dispersed in an ethylene-vinyl acetate copolymer matrix containing 28% by weight of vinyl acetate (EVA 28). ). There are aggregates of carbon nanotubes.
  • Figure 3B shows the same sample as observed by atomic force microscopy (AFM). The aggregates of carbon nanotubes are also observed.
  • FIGS. 4A (MET) and 4B (AFM) represent multiwall nanotubes coated with high density polyethylene and dispersed nanoscopically homogeneously in a matrix of EVA 28% vinyl acetate.
  • Figure 5 shows' electrical resistivity measurements as a function of the carbon filler content of different nanocomposites polycarbonate matrix.
  • FIG. 6 shows electrical resistivity measurements as a function of the percentage of carbon nanotubes contained in nanocomposites with a polycarbonate matrix.
  • FIG. 7 represents an electron microscopy image of a polycarbonate matrix nanocomposite comprising 0.25% by weight of carbon nanotubes which have been coated with a polyethylene polymer, the coating polymer representing, by weight, 78% of the total weight of coated carbon nanotubes.
  • FIG. 8 represents an electron microscopy image of a polycarbonate matrix nanocomposite comprising 0.25% by weight of carbon nanotubes which have been coated with a polyethylene polymer, the coating polymer representing, by weight, 56% of the total weight of coated carbon nanotubes.
  • Figure 9 shows electrical resistivity measurements as a function of the percentage of charge of different nanocomposites.
  • FIG. 10 represents an electron microscopy image of a nanocomposite with a polyamide matrix comprising 1% by weight of carbon nanotubes which have been coated with a polyethylene polymer, the coating polymer representing, by weight, 75% of the total weight of coated carbon nanotubes.
  • FIG. 11 represents an electron microscopy image of a polyamide matrix nanocomposite comprising 5% by weight of carbon nanotubes which have been coated with a polyethylene polymer, the coating polymer representing, by weight, 75% of the total weight of coated carbon nanotubes.
  • Figures 12 and 13 show the influence of the amount of carbon nanotubes, dispersed using the method according to the invention or dispersed in an ordinary manner, the viscosity of a polypropylene or polycarbonate matrix.
  • Figures 14 and 15 show the influence of the amount of carbon nanotubes, dispersed using the process according to the invention or dispersed in an ordinary manner, on the tensile modulus of a polycarbonate or polyamide matrix.
  • Figures 16 and 17 show the influence of the amount of carbon nanotubes, dispersed using the method according to the invention or dispersed in an ordinary manner, on the characteristics of deformation and elongation at break of a polycarbonate or polyamide matrix.
  • Figures 18 and 19 show the influence of the amount of carbon nanotubes, dispersed using the method according to the invention or dispersed in an ordinary manner, on the breaking strength characteristics of a polycarbonate matrix or polyamide.
  • Figures 20 and 21 show the influence of the amount of carbon nanotubes, dispersed using the method according to the invention or dispersed in an ordinary manner, on the impact resistance characteristics of a matrix polycarbonate or polyamide.
  • the originality of the present invention is based on the use of a coating polymer of carbon nanotubes which is immiscible compatible or incompatible with the polymer matrix. Surprisingly, this makes it possible to obtain a dispersion of carbon nanotubes within said polymeric matrix which is homogeneous at the nanoscopic scale. In addition, it improves the electrical characteristics of the nanocomposites comprising dispersed carbon nanotubes according to the invention, while retaining the mechanical properties of the polymeric matrix forming these nanocomposites.
  • the process for coating the carbon nanotubes of the dispersion process according to the invention can be that known under the name "Polymerization-Filling Technique” or "PFT” (FIG 1) and which is described in detail in FIG. WO 2005/012170 which is incorporated by reference in this text.
  • the coating used in the present invention may be that claimed in claim 1 of WO 2005/012170.
  • the carbon nanotubes are pretreated in the manner described in claim 2, as well as in paragraphs 97 and 98 and paragraphs 116 to 125 of WO 2005/012170.
  • the pretreatment consists in attaching to the surface of the carbon nanotubes a catalyst, known to catalyze the polymerization of the monomer used for the coating, the polymerization is then initiated directly on the surface of the nanotubes.
  • the catalyst and the catalyst / cocatalyst pair are selected according to claims 6 to 9 of WO 2005/012170 and advantageously according to the examples given in paragraphs 104 to 106 and the polymerization of the coating polymer can be carried out according to the method described in paragraphs 126-130 of WO 2005/012170.
  • the polymerization, carried out on the surface of the nanotubes in order to obtain a coating polymer allows the disintegration of the bundles, agglomerates or aggregates of nanotubes which are usually formed during the production of nanocomposites comprising carbon nanotubes. .
  • This coating has the effect of forcing the carbon nanotubes to separate from each other and thereby cause the disintegration of nanotube bundles.
  • the carbon nanotubes can then be dispersed in a commercial host polymer by conventional methods (internal mixer, extruder, ).
  • the dispersion obtained is homogeneous on a nanoscopic scale.
  • the polycarbonate matrix nanocomposite, the polyethylene-coated carbon nanotubes of which were dispersed using the process according to the invention (N9000, FIG. 5), has a lower electrical resistivity, and therefore a better electrical conductivity, than a nanocomposite whose carbon nanotubes have not been coated (N7000, FIG.
  • compositions comprising other types of carbonaceous fillers (Cabot Vulcan, Akzo Ketjen, Hyperion Fibrils).
  • the nanocomposites comprising carbon nanotubes, dispersed using the method according to the invention have an electrical conductivity equivalent to the composites described in the state of the art, however this electrical conductivity is obtained with a amount of carbon nanotubes well less than that required, in the case of nanocomposites of the state of the art. Indeed, while it took 1% by weight of carbon nanotubes (MWNT N7000, Fig. 6) to obtain a given electrical resistivity, it now takes only 0.25% to obtain the same value of electrical resistivity ( Fig. 6).
  • the percolation network is established with a much lower percentage of carbon nanotubes.
  • the use of a low level of carbon nanotubes is very interesting because it not only reduces the cost of manufacturing such nanocomposites, but also improves the electrical properties, while maintaining the mechanical properties of the matrix polymer.
  • This immiscibility or incompatibility between the coating polymer and the polymer matrix will allow the coating to act as a "carbon nanotube transporter" and thus give rise to a homogeneous dispersion.
  • the coating, and more particularly the polymerization of the coating polymer produced on the surface of the nanotubes, will make it possible to individualize each carbon nanotube.
  • the coating because of its immiscibility (compatible or incompatible) and because it is not covalently bonded to carbon nanotubes , will be literally "hunted” from the surface of carbon nanotubes.
  • the carbon nanotubes are found without coating, but nevertheless perfectly dispersed within the polymeric matrix, whereas the polyethylene used for the coating is in the form of droplets. As shown in Figure 7, these polyethylene droplets may still contain coated carbon nanotubes, however, their proportion is small compared to the total amount of nanotube carbon nanocomposite.
  • the multi-walled carbon nanotubes are coated with high density polyethylene (HDPE) (FIG 2B & 2C) and are incorporated in a polymeric matrix which is an ethylene-vinyl acetate (EVA) copolymer with a high vinyl acetate content (28% by weight) (Fig. 4A & 4B).
  • HDPE high density polyethylene
  • EVA ethylene-vinyl acetate
  • the use of the HDPE and EVA couple (28% VA) made it possible to carry out dispersion tests of nanotubes coated with HDPE in the EVA matrix at different temperatures, allowing the two polymers to be found all together. both in the molten state for HDPE to always be in the solid state and for the matrix EVA in the molten state.
  • the difference in melting temperature between the coating HDPE and the EVA matrix (28% VA) being approximately 40 ° C.
  • the multiwall carbon nanotubes are coated with a polyethylene polymer and are incorporated in a polycarbonate matrix (Iupilon E 2000 - Mitsubishi Plastics, Japan).
  • the polycarbonate and the multiwall carbon nanotubes are pre-mixed in powder form, the polycarbonate being dried at 120 ° C. for at least 4 hours, before carrying out a hot mix (280 ° C.) with a mixer. DACA Micro Compounder for 15 minutes at 50 rpm.
  • the plates, obtained after pressing at 28O 0 C, have a thickness of 0.35 mm and a diameter greater than 65 mm.
  • the percolation network is established with 0.25% by weight of carbon nanotubes which have been coated, the coating of high density polyethylene (HDPE) representing by weight 78% or 65% of the total weight of the coated nanotubes.
  • HDPE high density polyethylene
  • the percolation is obtained with a percentage of carbon nanotubes which is 0.375%, whereas for uncoated nanotubes (N7000, Fig. 5), the percolation threshold is 0.75%.
  • the amount of coating polymer nanotubes influences the quality of the dispersion of carbon nanotubes within the matrix, and therefore influences the electrical conductivity characteristics of the nanocomposite; in fact, for a polycarbonate matrix composite comprising 0.25% by weight of MMNTs coated and then dispersed using the process according to the invention, the use of a polyethylene coating, representing by weight 78% of the total weight of the nanotubes coated carbon, makes it possible to obtain a nanocomposite having a better electrical conductivity than a nanocomposite where the coating represents by weight only 56% of the total weight of the coated carbon nanotubes.
  • a nanocomposite comprising a polycarbonate matrix and 0.25% by weight of MWNT coated with polyethylene and dispersed using the process according to the invention.
  • the multiwall carbon nanotubes are coated with high density polyethylene and are dispersed using the process according to the invention in a polyamide matrix (Capron 8202).
  • the polyamide and the multiwall carbon nanotubes are mixed while hot (240 ° C.) with a mixer.
  • the plates obtained after pressing at 240 ° C., have a thickness of 0.6 mm and a diameter greater than 65 mm.
  • the percolation network is established with 2% by weight of carbon nanotubes.
  • a nanocomposite comprising a polyamide matrix and 1% by weight of MWNT coated with polyethylene and dispersed by means of the process according to the invention has a fine dispersion at the nanoscopic scale and homogeneous carbon nanotubes in the polymer matrix.
  • FIG. 11 for a nanocomposite comprising 5% by weight of MWNT coated with polyethylene, we begin to observe a beginning of formation of a lamellar structure which can be detrimental to the establishment of the network of percolation.
  • the multiwall carbon nanotubes (MWNTs) are coated with high density polyethylene and are dispersed using the process according to the invention in a PEEK matrix.
  • Table II represents the influence of carbon nanotubes, dispersed using the method according to the invention or dispersed in an ordinary manner, on the behavior of the nanocomposite subjected to the tensile modulus test and flexural modulus test. .
  • the PEEK matrix nanocomposite thus obtained and which comprises l, 5% wt by weight of coated multiwall carbon nanotubes
  • Table II shows performance in the tensile modulus test comparable to those obtained with a PEEK matrix nanocomposite comprising 5% wt by weight of uncoated multiwall nanotubes (Table II). This observation is also valid with regard to the results obtained during the flexural modulus test.
  • the coating of the carbon nanotubes can be carried out according to the method described in WO 2005/012170.
  • the dispersion of the carbon nanotubes according to the invention provides properties particular to the polymer matrices in which they are incorporated.
  • the method for dispersing the carbon nanotubes according to the invention influences the viscosity of a polypropylene or polycarbonate matrix nanocomposite, but, for a polycarbonate or polyamide matrix nanocomposite, it also influences the properties of elasticity, namely the traction module (Fig. 14 & 15), the deformation characteristics at break (Fig. 16 & 17) and the breaking strength properties (Fig. 18 S-19), as well as the impact resistance properties (Fig. Fig. 20 & 21).

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de dispersion de nanotubes de carbone au sein d'une matrice polymérique qui comprend une étape de préparation des nanotubes de carbone enrobés d'un polymère d'enrobage par un procédé de polymérisation d'un monomère à l'aide d'un système catalytique dans lequel on utilise les nanotubes de carbone comme support catalytique, les nanotubes de carbone comprenant en surface le système catalytique de polymérisation du polymère d'enrobage, et le polymère d'enrobage étant non-miscible compatible ou incompatible à la matrice polymérique d'accueil, puis une étape de mélange à chaud des nanotubes de carbone enrobés à une matrice polymérique.

Description

PROCEDE DE DISPERSION DE NANOTUBES DE CARBONE DANS UNE
MATRICE POLYMERIQUE
Objet de l'invention
[0001] La présente invention se rapporte au domaine des matériaux composites et plus particulièrement des nanocomposites . L'invention concerne un procédé de dispersion amélioré de nanotubes de carbone dans une matrice polymérique.
Etat de la technique
[0002] Parmi les composites à matrice polymérique, on distingue, selon la taille des particules, les « microcomposites » dont les trois dimensions de la charge sont supérieures ou égales au micromètre, et les « nanocomposites » pour lesquels au moins une des trois dimensions de la charge est inférieure à lOOnm, voire même de l'ordre de un à quelques dizaines de nanomètres . [0003] Les nanocomposites sont d'un intérêt particulier dans le domaine industriel car ils présentent des propriétés remarquables pour des taux de charge relativement faibles, c'est à dire inférieurs à 10% en poids. En effet, ils apportent une amélioration significative des propriétés mécaniques ou électriques de la matrice polymère. De plus, contrairement aux renforts de type fibrillaire, ils renforcent la matrice polymérique dans toutes les directions de l'espace. [0004] Les nanocomposites comprenant comme charges particulaires des nanotubes de carbone ont déjà été proposés pour différentes applications.
[0005] Toutefois, en pratique, l'utilisation des nanotubes de carbone comme charges dans des matrices polymères pour fabriquer des nanocomposites se heurte à des difficultés. En effet, il s'avère que les nanotubes de carbone ont tendance à s'agréger ensemble pour former des « fagots » très stables, encore appelés agrégats ou agglomérats. La présence de tels agrégats altère les propriétés physiques et mécaniques des composites dans lesquels ils sont présents .
[0006] Afin d'éviter ce phénomène d'agrégation et de conserver les propriétés physiques, mécaniques et électriques des matrices polymériques formant de tels composites, on a pensé à enrober les nanotubes de carbone. Ainsi, le document WO 02/16257 divulgue une composition qui comprend des nanotubes de carbone simple paroi enrobés d'un polymère. On peut citer également le document WO 2005/040265 qui divulgue quant à lui une composition comportant une matrice polymérique et 0.1 à 10% en poids de nanotubes enrobés de polyaniline.
[0007] Toutefois, ces solutions permettent de limiter la taille des agrégats, mais sans pouvoir les éviter totalement, afin d'obtenir une dispersion homogène à l'échelle nanoscopique.
[0008] Par ailleurs, le document WO 2005/012170 divulgue un procédé d'enrobage particulier, qui permet d'augmenter la compatibilité des nanotubes de carbone avec la matrice polymérique dans laquelle on veut les disperser. Cela permet d'obtenir une dispersion homogène et stable des nanotubes de carbone dans une matrice polymérique. Ce procédé est caractérisé en ce que les nanotubes de carbone sont utilisés comme support de catalyse grâce à la fixation sur leur surface d'un couple co-catalyseur/catalyseur pour former ainsi un système catalytique. Le système catalytique est activé avant que la polymérisation ne soit réalisée à la surface des nanotubes de carbone afin d'obtenir un enrobage autour de ces nanotubes de carbone. [0009] Néanmoins, le polymère d'enrobage utilisé dans le procédé décrit précédemment fait intervenir un polymère d'enrobage miscible à la matrice polymérique du composite. Or, selon la présente invention, il n'est pas nécessaire, et peut s'avérer même contre-productif, d'utiliser pour la matrice et l'enrobage des polymères miscibles .
Buts de l ' invention
[0010] La présente invention vise à fournir une solution qui ne présente pas les inconvénients de l ' état de la technique. [0011] En particulier, la présente invention vise à fournir un procédé de dispersion amélioré de nanotubes de carbone dans une matrice polymérique qui est soit non- miscible compatible, soit non-miscible incompatible . avec le polymère d'enrobage des nanotubes de carbone. [0012] La présente invention vise également à fournir une utilisation du procédé de dispersion amélioré pour l'obtention d'un nanocomposite dans lequel les nanotubes de carbone sont dispersés de manière homogène à l'échelle nanoscopique dans une matrice polymérique.
Résumé de l ' invention
[0013] La présente invention se rapporte à un procédé de. dispersion de nanotubes de carbone au sein d'une matrice polymérique ' d'accueil comprenant les étapes suivantes : - préparation de nanotubes de carbone enrobés d'un polymère d'enrobage par un procédé de polymérisation d'un monomère à l'aide d'un système catalytique dans lequel on utilise lesdits nanotubes de carbone comme support catalytique, lesdits nanotubes de carbone comprenant en surface ledit système catalytique de polymérisation dudit polymère d'enrobage, ledit polymère d'enrobage étant non-miscible à ladite matrice polymérique d'accueil,
- mélange desdits nanotubes de carbone enrobés à ladite matrice polymérique d'accueil non-miscible, ledit polymère d'enrobage agissant comme transporteur des nanotubes de carbone dans ladite matrice polymérique d'accueil . [0014] On entend par « matrice polymérique d'accueil » un polymère qui forme la matrice d'un composite dans laquelle sont dispersées des particules, encore appelées charges .
[0015] Deux polymères sont réputés non-miscibles compatibles ou incompatibles lorsque, à diverses échelles de mesure, on observe un effet de séparation de phase. Cette séparation de phase peut s'observer à l'échelle micrométrique par observation du mélange au microscope électronique à balayage, laissant souvent apparaître des nodules du polymère minoritaire dans le polymère majoritaire. A l'échelle quasi-moléculaire, la non- miscibilité de deux polymères s'observe par la présence de deux températures de transition vitreuse caractéristiques des deux polymères constituant le mélange. Ces transitions vitreuses peuvent être mesurées par des techniques variées comme la calorimétrie différentielle à balayage ou l'analyse mécanique dynamique. [0016] Deux polymères sont réputés non-miscibles lorsque l'énergie libre du mélange (ΔGmix) est supérieure ou égale à zéro.
[0017] Deux polymères sont réputés non-miscibles incompatibles lorsque l'énergie libre du mélange est supérieure ou égale à 0, lorsqu'il n'est pas observé de modification des températures de transition vitreuse (Tg) respectives des partenaires, lorsque le mélange présente un paramètre χ (chi) de Flory-Huggins supérieur à zéro, et que la tension interfaciale est élevée. La tension interfaciale, qui est proportionnelle au carré du paramètre χ (chi) de Flory-Huggins, est considérée comme
« élevée » quand elle est supérieure à 2mN/m.
[0018] Deux polymères sont réputés non-miscibles compatibles lorsque l'énergie libre du mélange est supérieure ou égale à 0, lorsqu'il est observé des modifications de températures de transition vitreuse (Tg) respectives des partenaires, lorsque le mélange présente un paramètre χ (chi) de Flory-Huggins faible mais supérieur à zéro, et que la tension interfaciale est faible, comprise entre 0 et 2mN/m. La tension interfaciale, qui est proportionnelle au carré du paramètre χ (chi) de Flory- Huggins, est considérée comme « faible » quand elle est comprise entre 0 et 2mN/m. [0019] Pour un mélange polyéthylène/EVA, la tension interfaciale est considérée comme faible quand elle est de l ' ordre de 2mN/m et , pour ce qui concerne un mélange polyéthylène/polyamide ou polyéthylène/polycarbonate, elle est- considérée comme faible quand elle est supérieure à 2irtN/m.
[0020] Selon des formes particulières de réalisation, l'invention comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la matrice polymérique non-miscible compatible est un polymère formant deux phases avec ledit polymère d'enrobage lors du mélange et ayant une énergie libre du mélange (ΔGmix) supérieure à zéro ; - la matrice polymérique d'accueil non-miscible compatible est sélectionnée parmi le groupe formé par le polypropylène, le copolymère éthylène - acétate de vinyle
(EVA), les copolymères d' alpha-oléfine et les mélanges de ceux-ci ; - la matrice polymérique d'accueil est un polymère non- miscible incompatible, formant deux phases avec ledit polymère d'enrobage et ayant une structure chimique différente de celle dudit polymère d'enrobage, le mélange dudit polymère d'enrobage et de la matrice polymérique d'accueil ayant un paramètre χ (chi) de Flory-Huggins supérieur à zéro et une tension interfaciale élevée.
- la matrice polymérique d'accueil non-miscible incompatible est sélectionnée parmi le groupe formé par les polyamides (PA) , le polycarbonate (PC), le poly-éther- éther-cetone (PEEK) , le polyétherketone (PEK) , le polystyrène, le polyoxyméthylène (POM) , le polyéthylèneimine (PEI) , le polysulfone (PSU) , le polyacétale, le polyétherimide, le polyimide, le polysulfène, le polyacrylonitrile, le poly-phénylène- sulfide, le poly-phénylène oxide, le polyurethane, le poly-tetra-fluoroéthylene, les polyester, le polyvinylidène fluoride, le poly-vinylchloride, le polyéthersulfide, le poly perfluoroaldoxyéthylene, et les mélanges de ceux-ci ; - le polymère d'enrobage est sélectionné parmi le groupe formé par le polyéthylène, le polypropylène, les copolymères avec des alpha-oléfines, les polymères d'alpha- dioléfines conjuguées, le polystyrène, les polycycloalcen.es, le polynorbornène, le polynorbornadiène, le polycyclopendadiène, et les mélanges de ceux-ci ;
- le polymère d'enrobage est un polymère d'alpha-oléfines ; - le polymère d'enrobage est du polyéthylène ;
- le polymère d'enrobage des nanotubes de carbone représente en poids entre 10 et 90% du poids total des nanotubes enrobés ;
- la quantité de nanotubes de carbone représente en poids entre 0,1 et 5% du poids total de la matrice polymérique d'accueil ;
- la quantité de nanotubes de carbone représente en poids entre 0,1 et 1% du poids total de la matrice polymérique d'accueil ; - les nanotubes de carbone sont des nanotubes de carbone multiparois (MWNT) .
[0021] La présente invention divulgue par ailleurs l'utilisation d'un polymère d'enrobage de nanotubes de carbone non-miscible compatible ou incompatible avec une matrice polymérique d'accueil pour l'obtention d'une dispersion homogène à l'échelle nanoscopique desdits nanotubes de carbone au sein de matrice polymérique d'accueil.
[0022] On entend par dispersion des nanotubes de carbone de manière homogène « à l'échelle nanoscopique » une répartition homogène des nanotubes de carbone à l'échelle du milliardième de- mètre. Les nanotubes de carbone sont, à cette échelle, essentiellement individualisés les uns des autres et ne forment pratiquement pas d'agglomérats, ni agrégats.
[0023] On entend par « nanocomposites » des matériaux composites ayant une matrice polymérique et incorporant des nanoparticules comme charge, à savoir des particules dont au moins une des dimensions est inférieure ou égale à lOOnm. Il se peut également qu'au moins l'une des dimensions des particules soit de l'ordre de un à quelques dizaines de milliardième de mètre.
Brève description des figures
[0024] La figure 1 représente les différentes étapes de préparation pour les nanotubes de carbone enrobés avec pour les étapes (i) et (ii) , fixation du co-catalyseur
(MAO) et évaporation du solvant (toluène) , (iii) fixation du catalyseur n-heptane, Cp2ZrCl2/ (iv) et (v) Polymérisation de l'éthylène à 2.7 bars et 5O0C pour donner un enrobage de polyéthylène haute densité.
[0025] La figure 2A représente des nanotubes de carbone multiparois purifiés (MWNT = multi-wall nanotubes) , observés en microscopie électronique à balayage.
[0026] La figure 2B représente des nanotubes de carbone multiparois enrobés de 51% en poids de polyéthylène haute densité, observés en microscopie électronique à balayage . [0027] La figure 2C représente des nanotubes de carbone multiparois enrobés de 83% en poids de polyéthylène haute densité, observés en microscopie électronique à balayage .
[0028] La figure 3A représente des nanotubes de carbone multiparois non enrobés, observés par microscopie électronique à transmission (MET) , tels que dispersés dans une matrice copolymère éthylène-acétate de vinyle contenant 28% en poids d'acétate de vinyle (EVA 28). On observe des agrégats de nanotubes de carbone. [0029] La figure 3B représente le même échantillon tel qu'observé par microscopie à force atomique (AFM). Les agrégats de nanotubes de carbone sont aussi observés. [0030] Les figures 4A (MET) et 4B (AFM) représentent des nanotubes multiparois enrobés de polyéthylène haute densité et dispersés à l'échelle nanoscopique de manière homogène dans une matrice d'EVA 28% d'acétate de vinyle. [0031] La figure 5 représente ' des mesures de résistivité électrique en fonction du taux de charge en carbone de différents nanocomposites à matrice polycarbonate. [0032] La figure 6 représente des mesures de résistivité électrique en fonction du pourcentage en nanotubes de carbone contenus dans des nanocomposites à matrice polycarbonate.
[0033] La figure 7 représente une image de microscopie électronique d'un nanocomposite à matrice polycarbonate comprenant 0.25% en poids de nanotubes de carbone qui ont été enrobés d'un polymère de polyéthylène, le polymère d'enrobage représentant en poids 78% du poids total des nanotubes de carbone enrobés . [0034] La figure 8 représente une image de microscopie électronique d'un nanocomposite à matrice polycarbonate comprenant 0.25% en poids de nanotubes de carbone qui ont été enrobés d'un polymère de polyéthylène, le polymère d'enrobage représentant en poids 56% du poids total des nanotubes de carbone enrobés . [0035] La figure 9 représente des mesures de résistivité électrique en fonction du pourcentage de charge de différents nanocomposites.
[0036] La figure 10 représente une image de microscopie électronique d'un nanocomposite à matrice polyamide comprenant 1% en poids de nanotubes de carbone qui ont été enrobés d'un polymère de polyéthylène, le polymère d'enrobage représentant en poids 75% du poids total des nanotubes de carbone enrobés . [0037] La figure 11 représente une image de microscopie électronique d'un nanocomposite à matrice polyamide comprenant 5% en poids de nanotubes de carbone qui ont été enrobés d'un polymère de polyéthylène, le polymère d'enrobage représentant en poids 75% du poids total des nanotubes de carbone enrobés .
[0038] Les figures 12 et 13 représentent l'influence de la quantité de nanotubes de carbone, dispersés à l'aide du procédé selon l'invention ou dispersés de manière ordinaire, sur la viscosité d'une matrice polypropylène ou polycarbonate .
[0039] Les figures 14 et 15 représentent l'influence de la quantité de nanotubes de carbone, dispersés à l'aide du procédé selon l ' invention ou dispersés de manière ordinaire, sur le module de traction d'une matrice polycarbonate ou polyamide.
[0040] Les figures 16 et 17 représentent l'influence de la quantité de nanotubes de carbone, dispersés à l'aide du procédé selon l'invention ou dispersés de manière ordinaire, sur les caractéristiques de déformation et d'élongation à la rupture d'une matrice polycarbonate ou polyamide .
[0041] Les figures 18 et 19 représentent l'influence de la quantité de nanotubes de carbone, dispersés à l'aide du procédé selon l'invention ou dispersés de manière ordinaire, sur les caractéristiques de résistance à la rupture d'une matrice polycarbonate ou polyamide. [0042] Les figures 20 et 21 représentent l'influence de la quantité de nanotubes de carbone, dispersés à l'aide du procédé selon l'invention ou dispersés de manière ordinaire, sur les caractéristiques de résistance à l'impact d'une matrice polycarbonate ou polyamide.
Description détaillée de l ' invention [0043] L'utilisation d'un enrobage pour obtenir des nanotubes de carbone à l'état dispersé au sein d'une matrice polymère est bien connue.
[0044] L'originalité de la présente invention repose sur l'emploi d'un polymère d'enrobage des nanotubes de carbone qui soit non-miscible compatible ou incompatible à la matrice polymérique. De façon surprenante, cela permet d'obtenir une dispersion des nanotubes de carbone au sein de ladite matrice polymérique qui est homogène à l'échelle nanoscopique. De plus, cela permet d'améliorer les caractéristiques électriques des nanocomposites comprenant des nanotubes de carbone dispersés selon l'invention, tout en conservant les propriétés mécaniques de la matrice polymérique formant ces nanocomposites . [0045] Le procédé d'enrobage des nanotubes de carboné du procédé de dispersion selon l'invention peut être celui connu sous le nom de « Polymerization-Filling Technique » ou « PFT » (Fig. 1) et qui est décrit en détail dans le document WO 2005/012170 qui est incorporé par référence au présent texte.
[0046] L'enrobage utilisé dans la présente invention peut être celui revendiqué à la revendication 1 du document WO 2005/012170. [0047] De préférence, les nanotubes de carbone sont prétraités de la façon décrite à la revendication 2, ainsi qu'aux paragraphes 97 et 98 et les paragraphes 116 à 125 du document WO 2005/012170. Le prétraitement consiste à fixer à la surface des nanotubes de carbone un catalyseur, connu pour catalyser la polymérisation du monomère servant à l'enrobage, la polymérisation est ensuite amorcée directement à la surface des nanotubes .
[0048] De préférence, le catalyseur et le couple catalyseur/co-catalyseur sont choisis conformément aux revendications 6 à 9 du document WO 2005/012170 et avantageusement conformément aux exemples donnés aux paragraphes 104 à 106 et la polymérisation du polymère d'enrobage peut être réalisée conformément au procédé décrit aux paragraphes 126-130 du document WO 2005/012170. [0049] La polymérisation, effectuée à la surface des nanotubes afin d'obtenir un polymère d'enrobage, permet la désagrégation des fagots, des agglomérats ou des agrégats de nanotubes qui se forment habituellement lors de la production de nanocomposites comprenant des nanotubes de carbone. Cet enrobage a pour effet de forcer les nanotubes de carbone à se séparer les uns des autres et à provoquer ainsi la désagrégation des fagots de nanotubes . [0050] Une fois enrobés, même avec une faible quantité de polymère, les nanotubes de carbone peuvent être alors dispersés dans un polymère d'accueil disponible dans le commerce par des méthodes classiques (mélangeur interne, extrudeuse, ...) . La dispersion obtenue est homogène à l'échelle nanoscopique. [0051] De façon surprenante, et comme le montre la figure 5, le nanocomposite à matrice polycarbonate, dont les nanotubes de carbone enrobés de polyéthylène ont été dispersés à l'aide du procédé selon l'invention (N9000, Fig.5), présente une résistivité électrique plus basse, et donc une meilleure conductivité électrique, qu'un nanocomposite dont les nanotubes de carbone non pas été enrobés (N7000, Fig.5) et que des compostions comprenant d'autres types de charges carbonées (Cabot Vulcan, Akzo Ketjen, Hyperion Fibrils) . [0052] De plus, les nanocomposites comprenant des nanotubes de carbone, dispersés à l'aide du procédé selon l'invention, possèdent une conductivité électrique équivalente aux composites décrit dans l'état de la technique, cependant cette conductivité électrique est obtenue avec une quantité de nanotubes de carbone bien inférieure à celle requise, dans le cas des nanocomposites de l'état de la technique. En effet, alors qu'il fallait 1% en poids de nanotubes de carbone (MWNT N7000, Fig. 6) pour obtenir une résistivité électrique donnée, il n'en faut maintenant plus que 0.25% pour obtenir la même valeur de résistivité électrique (Fig. 6) . Ainsi donc, dans les nanocomposites comprenant des nanotubes de carbone dispersés à l'aide du procédé selon l'invention, le réseau de percolation est établi avec un pourcentage de nanotubes de carbone bien inférieur. L'emploi d'un faible taux de nanotubes de carbone s'avère très intéressant car cela permet non seulement de diminuer le coût de fabrication de tels nanocomposites, mais aussi d'améliorer les propriétés électriques, tout en conservant les propriétés mécanique de la matrice polymérique.
[0053] L'amélioration surprenante des propriétés de conductivité électrique, observée pour un nanocomposite dont les nanotubes de carbone ont été dispersés à l'aide du procédé selon l'invention, réside dans l'emploi pour l'enrobage d'un polymère qui est non-miscible compatible ou incompatible avec la matrice polymérique du composite. Cette non-miscibilité ou incompatibilité entre polymère d'enrobage et matrice polymérique va permettre à l'enrobage de jouer le rôle d'un « transporteur de nanotubes de carbone » et ainsi donner lieu à une dispersion homogène. L'enrobage, et plus particulièrement la polymérisation du polymère d'enrobage réalisée à la surface des nanotubes, va permettre d'individualiser chaque nanotube de carbone. Puis, lors de l'incorporation de ces nanotubes de carbone à la matrice polymérique, l'enrobage, du fait de sa non- miscibilité (compatible ou incompatible) et du fait qu'il ne soit pas lié de façon covalente aux nanotubes de carbone, va être littéralement « chassé » de la surface des nanotubes de carbone. Ainsi donc, comme le montrent les figures 7 et 8, ainsi que les figures 10 et 11, les nanotubes de carbone se retrouvent sans enrobage, mais néanmoins parfaitement dispersés au sein de la matrice polymérique, alors que le polyéthylène, ayant servi pour l'enrobage, se trouve sous la forme de gouttelettes. Comme le montre la figure 7, ces gouttelettes de polyéthylène peuvent encore contenir des nanotubes de carbone enrobés, cependant leur proportion est infime par rapport à la quantité totale de nanotube de carbone du nanocomposite. [0054] Dans un premier exemple de réalisation de l'invention, les nanotubes de carbone multiparois (MWNT) sont enrobés de' polyéthylène de haute densité (HDPE) (Fig. 2B & 2C) et ils sont incorporés à une matrice polymérique qui est un copolymère éthylène-acétate de vinyle (EVA) à haute teneur en acétate de vinyle (28% en poids) (Fig. 4A & 4B) .
[0055] L'aspect non-miscible et compatible du HDPE et de l'EVA à température ambiante a fait l'objet de nombreuses études et est notamment documentée dans le « Polymer Handbook », 4th édition, Ed. J.Wiley and sons, New-York, 1999, dont les auteurs sont J. Bandrup, E. H. Immergut et E. A. Grulke.
[0056] La non-miscibilité entre l'EVA et le HDPE sont documentées en détail dans les trois publications suivantes :
- « Dynamic mechanical properties and morphology of polyethylene/ethylene vinyl acétate copolymer blends », Khonakdar, Wagenknecht, Jafari, Hâssler et Eslami, dans Advances in Polymer Technology, Vol.23, N°4, -307-315; - « Phase morphology and melt viscoelastic properties in blends of ethylene/vinyl acétate copolymer and metallocece-catalysed linear polyéthylène », Péon, Vega, Del Amo et Martinez dans Polymer 44 (2003), 2911-2918 ; - « Dynamic Mechanical behaviour of High-Density polyethylene/ethylene vinyl acétate copolymer blends : The effect of the blenâ ratio, reactive compatibilization, and dynamic vulcanization », Biju, Varughese, Oommen, Pôtschke et Thomas dans Journal of Applied Polymer
Science, Vol 87, 2083-2099 (2003).
[0057] Par ailleurs, l'utilisation du couple HDPE et EVA (28% VA) a permis d'effectuer des essais de dispersion de nanotubes enrobés de HDPE dans la matrice EVA à différentes températures, permettant aux deux polymères soit de se retrouver tous les deux à l'état fondu soit pour le HDPE d'être toujours à l'état solide et pour la matrice EVA à l'état fondu. La différence de température de fusion entre le HDPE d'enrobage et la matrice EVA (28%VA) étant d'environ 400C.
[0058] Les essais de dispersion à deux températures différentes ont cependant donné le même résultat au niveau de la dispersion des nanotubes de carbone à l'échelle nanoscopique (Fig. 4B) . On constate donc de manière surprenante que la dispersion se fait également à l'échelle nanoscopique dans une matrice d'EVA à haute teneur en acétate de vinyle alors que l'on se serait attendu, à la lumière de la non-miscibilité entre les deux polymères, à retrouver des agrégats de nanotubes par coalescence des enrobages de HDPE, ce qui n'est pas le cas.
[0059] Pour les composites à base d'EVA (28% en poids en acétate de vinyle) , les propriétés mécaniques sont comparées à celles d'un nanocomposite à base d'argile (Cl 3OB : montmorillonite organo-modifiée par le méthyl bis (2- hydroxyéthyl) suif ammonium) de type exfolié (nanofeuillets d'argile dispersés de manière homogène à l'état nanoscopique) - voir tableau I. Module Young (MPa) EVA seul _ __ __ _ !_-_• § _
EVA + 1 o\°% Cl. 3OB leΓÔ
EVA + 3% Cl. 3OB 22.8
EVA + 1% MWNT 15.8
EVA MWNT 20.0
EVA +3% MWNT* 29.0
EVA + 3% Cl. 30B/%MWNT 26.0
EVA + 3% Cl. 30B/%MWNT* 35.4
Tableau I
*HDPE (45%)- MWNT enrobés via PFT MWNT = nanotubes multiparois
[0060] Ces résultats montrent le transfert des propriétés des nanotubes de carbone, qui ont été enrobés de HDPE, à la matrice d'EVA. Comparativement aux nanocomposites à base d'argile, les nanotubes de carbone qui ont été enrobés montrent une augmentation du module de Young, ce qui indique un excellent transfert des propriétés de rigidité des nanotubes de carbone vers la matrice EVA. [0061] Dans un deuxième exemple de réalisation de l'invention, les nanotubes de carbone multiparois (MWNTs) sont enrobés d'un polymère polyéthylène et sont incorporés à une matrice polycarbonate (Iupilon E 2000 - Mitsubishi Plastics, Japon) .
[0062] Le polycarbonate et les nanotubes de carbone multiparois sont pré-mélangés sous forme de poudre, le polycarbonate étant séché à 1200C pendant au moins 4 heures, avant d'effectuer un mélange à chaud (2800C) avec un mélangeur DACA Micro Compounder pendant 15 minutes à 50 tours par minute. Les plaques, obtenues après un pressage à 28O0C, ont une épaisseur de 0,35mm et un diamètre supérieur à 65mm.
[0063] De façon surprenante, et comme le montre le graphique de la figure 6, pour le nanocomposite à matrice polycarbonate, le réseau de percolation s'établit avec 0.25% en poids de nanotubes de carbone qui ont été enrobés, l'enrobage de polyéthylène haute densité (HDPE) représentant en poids 78% ou 65% du poids total des nanotubes enrobés . Pour les nanotubes de carbone dont l'enrobage de HDPE représente en poids 56% du poids total des nanotubes enrobés, la percolation est obtenue avec un pourcentage de nanotubes de carbone qui est de 0.375%, alors que pour des nanotubes non enrobés (N7000, Fig. 5), le seuil de percolation se situe à 0.75%. [0064] Ainsi donc, la quantité de polymère d'enrobage des nanotubes influence la qualité de la dispersion des nanotubes de carbone au sein de la matrice, et par conséquent, influence les caractéristiques de conductivité électrique du nanocomposite ; en effet, pour un composite à matrice polycarbonate comprenant 0.25% en poids de MMNT enrobés puis dispersés à l'aide du procédé selon l'invention, l'utilisation d'un enrobage de polyéthylène, représentant en poids 78% du poids total des nanotubes de carbone enrobés, permet d'obtenir un nanocomposite présentant une meilleure conductivité électrique qu'un nanocomposite où l'enrobage ne représente en poids que 56% du poids total des nanotubes de carbone enrobés .
[0065] Comme le montrent les images de microscopie électronique (Fig. 7 S- 8) , un nanocomposite, qui comprend une matrice polycarbonate et 0.25% en poids de MWNT enrobés de polyéthylène et dispersés à l'aide du procédé selon l'invention, présente à l'échelle nanoscopique une dispersion fine et homogène des nanotubes de carbone dans la matrice polymérique. [0066] Dans un troisième exemple de réalisation de l'invention, les nanotubes de carbone multiparois (MWNTs) sont enrobés de polyéthylène haute densité et sont dispersés à l'aide du procédé selon l'invention dans une matrice polyamide (Capron 8202) . [0067] Le polyamide et les nanotubes de carbone multiparois sont mélangés à chaud (2400C) avec un mélangeur
DACA Micro Compounder pendant 15 minutes à 50 tours par minute. Les plaques, obtenues après un pressage à 24O0C, ont une épaisseur de 0,6mm et un diamètre supérieur à 65mm.
[0068] Comme le montre la figure 9, le nanocomposite à matrice polyamide, comprenant des nanotubes de carbone enrobés et dispersés à l'aide du procédé selon l'invention, et dont l'enrobage de polyéthylène représente en poids 78% du poids total des nanotubes enrobés, présente une meilleure conductivité électrique que les composites comprenant des nanotubes de carbone non-enrobés (N7000, qui sont des MWNTs à 90% de carbone et N3150, qui sont des MWNTs à 95% de carbone) ou simplement du noir de carbone (Printex XE2) . Pour le nanocomposite comprenant les nanotubes de carbone qui ont été dispersés à l'aide du procédé selon l'invention, le réseau de percolation est établi avec 2% en poids de nanotubes de carbone.
[0069] Comme le montre la figure 10, un nanocomposite comprenant une matrice polyamide et 1 % en poids de MWNT enrobés par du polyéthylène et dispersés à l'aide du procédé selon l'invention, présente à l'échelle nanoscopique une dispersion fine et homogène des nanotubes de carbone dans la matrice polymérique. Toutefois, comme le montre la figure 11, pour un nanocomposite comprenant 5 % en poids de MWNT enrobés par du polyéthylène, on commence à observer un début de formation d'une structure lamellaire qui peut s'avérer néfaste à l'établissement du réseau de percolation. [0070] Dans un quatrième exemple de réalisation de l'invention, les nanotubes de carbone multiparois (MWNTs) sont enrobés de polyéthylène haute densité et sont dispersés à l'aide du procédé selon l'invention dans une matrice PEEK. [0071] Le Tableau II représente l'influence des nanotubes de carbone, dispersés à l'aide du procédé selon l'invention ou dispersés de manière ordinaire, sur le comportement du nanocomposite soumis au test du module de traction et test du module de flexion.
Module de Module de traction (MPa) flexion (MPa)
PEEK 3900 4250
PEEK + 5% MWCNT 4750 4700
PEEK + 1.5 % MWCNT enrobés 4800 4950
Tableau II
[0072] Comme le montre ce tableau, après les étapes successives d'extrusion, d'injection et de moulage, le nanocomposite à matrice PEEK ainsi obtenu et qui comprend l,5%wt en poids de nanotubes de carbone multiparois enrobés
(Tableau II) présente des performances lors du test de module de traction comparables à celles obtenues avec un nanocomposite à matrice PEEK comprenant 5%wt en poids de nanotubes multiparois non enrobés (Tableau II) . Cette observation est également valable en ce qui concerne les résultats obtenus lors du test du module de flexion. [0073] Dans les quatre exemples de réalisation de l'invention décrits précédemment, l'enrobage des nanotubes de carbone peut être réalisé selon la méthode décrite dans le document WO 2005/012170.
[0074] La dispersion des nanotubes de carbone selon l'invention procure des propriétés particulières aux matrices polymériques auxquelles ils sont incorporés. Comme le montrent les figures 12 et 13, le procédé de dispersion des nanotubes de carbone selon l ' invention influence la viscosité d'un nanocomposite à matrice polypropylène ou polycarbonate, mais, pour un nanocomposite à matrice polycarbonate ou polyamide, il influence également les propriétés d'élasticité, à savoir le module de traction (Fig. 14 & 15) , les caractéristiques de déformation à la rupture (Fig. 16 & 17) et les caractéristiques de résistance à la rupture (Fig. 18 S- 19) , ainsi que les propriétés de résistance à l'impact (Fig. 20 & 21).

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de dispersion à l'échelle nanoscopique de nanotubes de carbone au sein d'une matrice polymérique d'accueil comprenant les étapes suivantes :
- préparation de nanotubes de carbone enrobés d'un polymère d'enrobage par un procédé de polymérisation d'un monomère à l'aide d'un système catalytique dans lequel on utilise lesdits nanotubes de carbone comme support catalytique, lesdits nanotubes de carbone comprenant en surface ledit système catalytique de polymérisation dudit polymère d'enrobage, ledit polymère d'enrobage étant non-miscible à ladite matrice polymérique d'accueil,
- mélange desdits nanotubes de carbone enrobés à ladite matrice polymérique d'accueil non-miscible, ledit polymère d'enrobage agissant comme transporteur des nanotubes de carbones dans ladite matrice polymérique d'accueil.
2. Procédé de dispersion selon la revendication 1, dans lequel la matrice polymérique non- miscible compatible est un polymère formant deux phases avec ledit polymère d'enrobage lors du mélange et ayant une énergie libre du mélange (ΔGmix) supérieure à zéro.
3. Procédé de dispersion selon les revendications 1 ou 2 , dans lequel la matrice polymérique d'accueil non-miscible compatible est sélectionnée parmi le groupe formé par le polypropylène, le copolymère éthylène - acétate de vinyle (EVA), les copolymères d'alpha-oléfine et les mélanges de ceux-ci .
4. Procédé de dispersion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la matrice polymérique d'accueil est un polymère non-miscible incompatible, formant deux phases avec ledit polymère d'enrobage et ayant une structure chimique différente de celle dudit polymère d'enrobage, le mélange dudit polymère d'enrobage et de la matrice polymérique d'accueil ayant un paramètre χ (chi) de Flory-Huggins supérieur à zéro et une tension interfaciale élevée.
5. Procédé de dispersion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la matrice polymérique d'accueil non-miscible incompatible est sélectionnée parmi le groupe formé par les polyamides (PA) , le polycarbonate (PC) , le poly-éther-éther-cetone (PEEK) , le polyétherketone (PEK) , le polystyrène, le polyoxyméthylène (POM) , le polyéthylèneimine (PEI) , le polysulfone (PSU) , le polyacétale, le polyétherimide, le polyimide, le polysulfène, le polyacrylonitrile, le poly- phénylène-sulfide, le poly-phénylène oxide, les polyurethanes , le poly-tetra-fluoroéthylene, les polyesters, le polyvinylidène fluoride, le poly- vinylchloride, le polyéthersulfide, le poly perfluoroaldoxyéthylene, et les mélanges de ceux-ci.
6. Procédé de dispersion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le polymère d'enrobage est sélectionné parmi le groupe formé par le polyéthylène, le polypropylène, les co-polymères avec des alpha-oléfines, les polymères d'alpha-dioléfines conjuguées, le polystyrène, les polycycloalcènes, le polynorbornène, le polynorbornadiène, le polycyclopendadiène, et les mélanges de ceux-ci.
7. Procédé de dispersion selon la revendication 6, dans lequel le polymère d'enrobage est un polymère d' alpha-oléfines .
8. Procédé de dispersion selon la revendication 7, dans lequel le polymère d'enrobage est du polyéthylène .
9. Procédé de dispersion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le polymère d'enrobage des nanotubes de carbone représente en poids entre 10 et 90% du poids total des nanotubes enrobés.
10. Procédé de dispersion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la quantité de nanotubes de carbone représente en poids entre 0,1 et 5% du poids total de la matrice polymérique d' accueil .
11. Procédé de dispersion selon la revendication 10, dans lequel la quantité de nanotubes de carbone représente en poids entre 0,1 et 1% du poids total de la matrice polymérique d'accueil.
12. Procédé de dispersion selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les nanotubes de carbone sont des nanotubes de carbone multiparois (MMNT) .
13. Utilisation d'un polymère d'enrobage de nanotubes de carbone non-miscible compatible ou incompatible avec une matrice polymérique d'accueil pour l'obtention d'une dispersion homogène à l'échelle nanoscopique desdits nanotubes de carbone au sein d'une matrice polymérique d'accueil.
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