Filage continu de fibres de nanotubes de carbone : de la solidification aux propriétés finales

N° d’ordre : 4095
THÈSE
présentée à
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
École doctorale des sciences chimiques
par
CELIA MERCADER
pour obtenir le grade de
DOCTEUR
Spécialité : Physico-Chimie de la Matière Condensée
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Filage continu de fibres de nanotubes de carbone :
de la solidification aux propriétés finales
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Date de soutenance : 16 Novembre 2010

Après avis de : M. Jean-Jacques Benattar Rapporteur
Mme. Martine Mayne-L’Hermite Rapporteur

Devant la commission d’examen formée de :
M. François Barthélémy Ingénieur DGA Examinateur
M. Jean-Jacques Benattar Ingénieur de recherche, CEA Rapporteur
M. Alain Derré Chargé de recherche, CNRS Invité
M. Georges Hadziioannou Professeur, Université Bordeaux 1 Examinateur
Mme. Martine Mayne-L’Hermite Ingénieur de recherche, CEA Rapporteur
M. Philippe Poulin Directeur de recherche, CNRS Directeur de thèse
M. Philippe Richetti Directeur de recherche, CNRS Président du jury

- 2010 -
TABLE DES MATIERES

TABLE DES MATIERES



Introduction générale 1
Chapitre I - Etude bibliographique et problématiques 5
I.1 Généralités sur les fibres ..................................................................................... 7
I.1.1 Les fibres chimiques ............................................................................... 7
I.1.2 Les fibres synthétiques à base polymère .............................................. 10
I.1.3 Les fibres à hautes performances mécaniques ..................................... 12
I.1.4 Les fibres conductrices ......................................................................... 14
I.1.5 Les technologies de filage en voie solvant ............................................ 16
Voie sèche ......................................................................................... 16
Voie humide .......................................................................................17
Voies hybrides par jet d'air sec ..........................................................19
I.1.6 Les fibres de PVA ................................................................................. 20
Synthèse du PVA ...............................................................................20
Interactions entre les chaînes de PVA ...............................................21
Procédés de filage industriel du PVA .................................................22
Réticulation du PVA ...........................................................................24
I.1.7 Théorie du renfort par les fibres ............................................................ 26
I.2 Les nanotubes de carbone .................................................................................27
I.2.1 Présentation ......................................................................................... 27
Historique ..........................................................................................27
Structure ............................................................................................27
I.2.2 Synthèse des nanotubes ...................................................................... 29
I.2.3 Propriétés ............................................................................................. 31
Propriétés mécaniques ......................................................................31
Propriétés électriques ........................................................................32
Autres propriétés ...............................................................................33
I.3 Les fibres composites de nanotubes de carbone ................................................35
I.3.1 Fibres obtenues par électrofilage .......................................................... 35
I.3.2 Fibres obtenues par voie fondue........................................................... 37
TABLE DES MATIERES
I.3.3 Fibres obtenues par coagulation dans un bain statique ........................ 39
I.3.4 Mise en solution des nanotubes de carbone ......................................... 41
I.3.5 Fibres obtenues par coagulation dans un bain en écoulement ............. 45
I.3.6 Propriétés des fibres de nanotubes de carbone obtenues par
coagulation ............................................................................................................. 49
Propriétés mécaniques ......................................................................49
Propriétés électriques ........................................................................50
I.3.7 Traitement post-synthèse des fibres ..................................................... 52
I.4 Propriétés thermomécaniques de matériaux nanocomposites ............................53
I.5 Bilan et problématiques ......................................................................................56
I.6 Bibliographie ......................................................................................................57

Chapitre II - Etude de la cinétique de solidification des fibres 65
II.1 Caractérisation in-situ des propriétés mécaniques de la fibre en cours de
solidification ................................................................................................................67
II.1.1 Contraintes supportées par la pré-fibre lors de son extraction du bain de
coagulation ............................................................................................................. 67
II.1.2 Utilisation d’une constriction ................................................................. 68
II.1.3 Les différents régimes de fonctionnement ............................................ 69
Temps de résidence courts ................................................................70
Temps de résidence longs .................................................................72
II.1.4 Modélisation des contraintes appliquées à la fibre en cours de
solidification au passage de la constriction ................................................................ 73
II.2 Etude de différents paramètres physico-chimiques impliqués dans le filage par
coagulation ..................................................................................................................77
II.2.1 Effet de la masse moléculaire du polymère coagulant .......................... 77
Conditions expérimentales .................................................................78
Résultats ............................................................................................79
Discussion .........................................................................................79
Influence de la masse moléculaire sur les fibres sèches ....................81
Conditions expérimentales .................................................................81
Résultats ............................................................................................82
Discussion .........................................................................................83
II.2.2 Effet de mélange de masses moléculaires ............................................ 83
Conditions expérimentales .................................................................83
Résultats ............................................................................................84
Discussion .........................................................................................84
TABLE DES MATIERES
II.2.3 Effet d’agents réticulants ...................................................................... 85
Conditions expérimentales .................................................................86
Résultats ............................................................................................86
Discussion .........................................................................................87
Influence du glutaraldéhyde sur les fibres sèche