La recherche relance les applications des nanocomposites

DOSSIER 

De nouveaux débouchés sont en développement, tandis que des études plus fondamentales devraient permettre d'exploiter pleinement les effets des nanoparticules. Américains, japonais mais aussi Rhodia, Arkema et PME européennes sont sur la brèche.

Quelques pour-cent de nanoparticules dans un polymère, et le voilà qui devient imperméable aux gaz, résistant au feu ou plus rigide. Cet effet des nanocomposites a déjà été mis à profit dans plusieurs applications : l'emballage (effet barrière), les câbles, des pièces pour l'automobile... Mais les études qui ont débouché sur ces utilisations ont aussi mis en évidence qu'il n'est pas si facile d'obtenir les performances attendues, dont la réalisation dépend de la qualité de la dispersion des nanocharges, et de leur interaction avec la matrice. Avec, parfois, des résultats qui ne sont pas à la hauteur des espérances.

Des Expérimentations en série

Pourtant, le potentiel des nanocomposites est toujours aussi riche. Et c'est pourquoi les études se poursuivent, notamment avec les nanocharges lamellaires (argiles, phosphates, graphites, etc.) mises à contribution dans une bonne partie de ces travaux.

D'abord, pour élargir le spectre des applications. Ainsi, l'Institut français du textile et de l'habillement (IFTH), coordonnateur du programme Nenatex, cherche à évaluer les nombreuses potentialités des nanocharges dans les textiles : propriétés mécaniques, thermiques, anti-feu, barrière... Certaines études se poursuivent jusqu'à des essais sur une ligne industrielle.



L'IFTH et Samuel Roche, fabricant de sangles à Saint-Etienne, ont ainsi montré l'intérêt d'utiliser un nanocomposite au stade de l'enduction du textile : l'ajout d'argile modifié dans le revêtement de polyuréthane permet d'augmenter la résistance à l'abrasion de sangles de ceinture de sécurité. Avec Janisset (Monistrol-sur-Loire, Haute-Loire), fabricant de fils et de sangles, il s'agissait cette fois d'ajouter des nano-argiles dans le compound, pour le filage du polypropylène. Objectif : améliorer la tenue thermique.

Les expérimentations, menées sur un équipement industriel, ont montré que la température maximale d'utilisation pouvait être décalée de 50° C. « Chaque application, que ce soit par voie "solvant" (enduction) ou par voie "fondue" (filage), demande une optimisation de la proportion de nanocharges, afin d'obtenir le meilleur compromis entre les performances finales et la rhéologie du polymère lors de sa mise en oeuvre », souligne Pascal Rumeau, responsable du projet à l'IFTH. D'autres propriétés ont été testées au stade du laboratoire : la résistance au feu (par voie fondue), comme alternative aux additifs traditionnels, soumis à des réglementations, ou encore l'effet barrière, pour réaliser des réservoirs souples, par enduction de PVC nanochargé sur le textile.



L'effet barrière, engendré par les nanocharges dispersées dans le polymère, a suscité beaucoup d'études pour des applications dans l'emballage, ou dans l'automobile (réservoirs, conduites d'essence). Notamment avec des polyamides chargés d'argile, ou de mica, développés chez Honeywell, Arkema, ou encore par les japonais Unitika et Ube. Mais leur utilisation est loin d'être aussi massive que prévue. « Dans l'emballage, le rapport performances/coût n'est pas suffisant pour rivaliser, sauf cas particulier, avec la technologie éprouvée des multicouches », indique Michel Glotin, expert scientifique et technologique chez Arkema. En revanche, une voie plus récente consiste à réaliser des revêtements nanocomposites, très efficaces car fortement chargés, mais avec un surcoût limité. Le japonais Kuraray et l'américain Inmat ont développé cette approche. Ce dernier a notamment utilisé sa technologie de revêtement Nanolok pour augmenter la durée de vie de balles de tennis...

Des verrous scientifiques à faire sauter

Le développement de nouvelles utilisations passe aussi par le renouvellement de l'offre en nanocomposites. D'où la nécessité de poursuivre la recherche sur les composants, charges et matrices, et sur leur adaptation réciproque.

« L'utilisation des argiles est connue depuis longtemps. Mais il reste des études à faire, entre autres pour optimiser la dispersion des nanoparticules dans la matrice, mais aussi la taille des espaces entre les feuillets d'argile, où le polymère confiné change de propriétés », indique Faïza Bergaya, directrice de recherche au CNRS et présidente du Groupement français des argiles. Le consortium Polylam-RA, qui réunit des industriels (Arkema, Rhodia, Multibase, TetraPak, Cebal...) et des laboratoires universitaires, a mené des études fondamentales sur les principaux verrous scientifiques qui retardent le développement des applications : les mécanismes de dispersion, et la compréhension des phénomènes à l'interface entre la charge et le polymère. Le projet a aussi exploré différentes voies pour améliorer l'interaction charge-polymère, comme l'ajout ou la synthèse in situ d'agents de compatibilité, ou le traitement chimique des charges. Des formulations ont été transférées aux industriels.

Il faut parfois Repenser le polymère

Les progrès à faire ne concernent pas seulement les nanocharges. « La première génération de nanocomposites repose sur l'ajout de nanocharges dans un polymère existant. Pour passer à une deuxième génération, qui mettra pleinement à profit la grande quantité de surface développée par les nanocharges, il faut aussi repenser le polymère », souligne Jean-François Gérard, le directeur du Laboratoire des matériaux macromoléculaires (Insa/CNRS), à Lyon. L'idée, pour optimiser le couple charge/matrice et en tirer le maximum de performances, est cette fois de modifier ou de synthétiser un polymère spécifiquement pour cette application. Le laboratoire lyonnais travaille dans cette voie, pour obtenir de meilleures propriétés de surface, ou améliorer la résistance au feu, l'effet barrière...

De même, si les caractéristiques obtenues ne sont pas toujours à la hauteur des attentes, c'est parce que l'on n'a pas cherché à modifier les procédés de mise en oeuvre. Aujourd'hui, des chercheurs s'intéressent de près aux procédés de mélange des composants (optimisation du profil des vis d'extrudeuse...). Le projet européen Multihybrids, qui fédère plus de vingt laboratoires et industriels, va même analyser en détail, à l'aide d'équipements bardés d'instrumentation, ce qui se passe dans une extrudeuse, y compris lors d'une extrusion-réaction (synthèse de charges in situ...).

Enfin, plutôt que d'adapter les procédés existants, certains labora- toires envisagent la solution radicale qui consiste à synthétiser entièrement le nanocomposite - charges et matrice - sans passer par un mélange de composants. C'est une voie explorée par exemple au laboratoire de Jean-François Gérard à Lyon, qui étudie la synthèse de matériaux hybrides organiques-inorganiques. Avantage de la méthode : une dispersion opti- male des nanocharges dans le polymère.


Thierry Lucas

Trois voies pour améliorer les performances

1 Optimiser le couple polymère/charge

L'interaction entre la charge minérale et le polymère organique est la clé des propriétés du nanocomposite. Pour l'améliorer, les chercheurs étudient des agents de compatibilité, le greffage de fonctions chimiques sur les charges. Ci-contre, l'interaction entre le polyamide 6 et le phosphate de zirconium, étudiée chez Rhodia.






2 Modifier les procédés de mise en oeuvre

L'étude des procédés de mélange des charges minérales dans le polymère fondu vise une dispersion maximale sans détérioration des nanoparticules. Ci-dessus, une extrudeuse bardée de capteurs (programme Multihybrids).







3 Miser sur la synthèse in situ

Pour maîtriser la composition et la structure du nano-composite, une solution consiste à synthétiser les composants in situ : les charges dans le polymère, le polymère en présence des nanocharges ou encore les deux composants simultanément, pour former des matériaux hybrides organique-inorganiques. Ci-contre, au laboratoire des matériaux macromoléculaires, Insa/CNRS à Lyon.