Composites polymère/graphène

Un projet européen auquel Sirris a participé aboutit à la conclusion que la mauvaise dispersion du graphène dans la matrice plastique ne permet pas d'améliorer significativement ses propriétés.

Depuis de nombreuses années, l’industrie plastique utilise des charges pour modifier les caractéristiques de ses produits. Le plus souvent, elle recherche une amélioration des propriétés mécaniques, thermiques ou électriques.

Différentes études à l’échelle du laboratoire ont déjà été menées sur le graphène et ont montré que ce matériau, qui se présente sous la forme d'un réseau nanométrique de carbone simple couche, pourrait être la nano-charge du futur car, grâce à sa structure 2D, il permettrait d’améliorer de façon significative un certain nombre de propriétés.

Le but du projet européen Graphpol mené conjointement par TU Chemnitz, IKV, TU Hasselt, Fraunhofer IWU et Sirris et terminé en mai 2017 était d’évaluer la chaîne complète de production de nanocomposites polymère / graphène à une échelle pré-industrielle.

La première étape du projet a consisté à identifier des fournisseurs aptes à distribuer du graphène en Europe. Il est très vite apparu que les prix de vente du graphène étaient très variables. Les partenaires se sont adressés à 5 fournisseurs différents : quatre d’entre eux permettaient d’acheter des produits « low-cost » (entre 100 et 2000€/kg), alors que le dernier demandait un prix beaucoup plus élevé (100€/g).

Différentes analyses ont montré que malgré leur appellation de « graphène », les matériaux bon marché s’apparentaient plus à du graphite et n’étaient pas à mono-couche de carbone. Malgré cette observation, les investigations entreprises ont été poursuivies car il était bien entendu inconcevable d’approfondir la recherche en utilisant exclusivement le graphène onéreux (et mono-couche, celui-là).

Une extrudeuse à double vis agencée selon différentes configurations a été utilisée pour préparer des composites à base de PA6, d’ABS, de PP et de PE afin de simuler un process industriel réel. Les granulés obtenus ont ensuite été injectés pour évaluer les propriétés mécaniques, électriques et thermiques des matériaux obtenus. Les mêmes pièces ont été injectées avec de la matière vierge mais également avec des composites polymères / nanotubes de carbone, afin de comparer les résultats. 

Les différents tests menés ont conduit à plusieurs conclusions. Tout d’abord, il est particulièrement difficile d’intégrer de façon homogène du graphène dans un polymère sans créer d’agglomérats et ces derniers ont un impact négatif sur l’amélioration des propriétés escomptée. Les propriétés mécaniques n’ont, de ce fait, pas été vraiment modifiées par l’ajout de graphène. Il en est de même pour les propriétés thermiques et électriques car la dispersion du graphène dans les composites n’est pas suffisante pour permettre la création d’un réseau conducteur. De plus, les résultats obtenus sur des pièces chargées en graphène n’égalent pas ceux qui sont obtenus sur des échantillons chargés en nanotubes de carbone.

Afin de pallier ce problème d’agglomération du graphène dans les composites, une étude a été menée en parallèle, visant à fonctionnaliser le graphène pour améliorer sa dispersion dans le polymère. Cette fonctionnalisation a donné des résultats intéressants mais n’a pas permis d’améliorer les propriétés mécaniques mesurées. 

Grâce au projet Graphpol, nous sommes en mesure d’affirmer qu’à ce jour, les graphènes commerciaux, malgré leur grand potentiel théorique, ne permettent pas d’obtenir une amélioration significative des propriétés mécaniques, électriques et thermiques dans les polymères. Une meilleure dispersion de la nano-charge dans la matrice devrait faire l’objet d’une étude plus approfondie pour surmonter les problèmes rencontrés.