Polymer nanocomposites are mixtures of nanoparticles and polymer chains, where the filler particles are usually added to enhance mechanical properties, e.g. of car tire materials. Performance depends to a great extent on the structure of the filler, i.e. its dispersion state in the polymer matrix, which itself depends on mixing protocols, but also on the thermodynamics of the system. The latter can be tuned by performing either chemical surface modifications of the nanoparticles, or by playing with the mass and/or grafting properties of the polymer chains. In this talk, some straightforward ways to obtain information from small-angle scattering on the structure of nanocomposites will be presented [1].In particular, we will review recent results on nanocomposites close to industrial applications, including what is probably one of the first quantitative analyses of such disordered structures by a combination of SAXS, TEM and numerical simulations [2]. The study led to the identification of a unique structure-determining parameter [3]. The generalization of the above-mentioned approach – the correlation hole analysis – will furthermore be illustrated by structural studies by small angle scattering of well-defined model systems, showing the influence of chain mass [4] or surface grafting of small molecules [5]. Finally, a quick outlook on why contrast-matching with SANS in nanocomposites often fails to highlight chain structure will be proposed [6].[1] A.-C. Genix and J. Oberdisse, Structure and dynamics of polymer nanocomposites studied by X-ray and neutron scattering techniques. Current Opinion in Colloid & Interface Science 2015, 20, 293-303.[2] G. P. Baeza, A. C. Genix, C. Degrandcourt, L. Petitjean, J. Gummel, M. Couty and J. Oberdisse, Macromolecules 2013, 46, 317-329.[3] G. P. Baeza, A.-C. Genix, C. Degrandcourt, J. Gummel, A. Mujtaba, K. Saalwächter, T. Thurn-Albrecht, M. Couty, and J. Oberdisse, ACS MacroLetters 2014, 3 (5), 448–452[4] A. Banc, A. C. Genix, M. Chirat, C. Dupas, S. Caillol, M. Sztucki and J. Oberdisse, Macromolecules 2014, 47, 3219–3230.[5] C. Schmitt Pauly, A.-C. Genix, J. G. Alauzun, M. Sztucki, P. H. Mutin and J. Oberdisse, Polymer 2016, 97 138-146.[6] A. Banc, A.-C. Genix, C. Dupas, M. Sztucki, R. Schweins, M.-S. Appavou, J. Oberdisse, Macromolecules 2015, 48, 6596−6605.

Polymer nanocomposites are mixtures of nanoparticles and polymer chains, where the filler particles are usually added to enhance mechanical properties, e.g. of car tire materials. Performance depends to a great extent on the structure of the filler, i.e. its dispersion state in the polymer matrix, which itself depends on mixing protocols, but also on the thermodynamics of the system. The latter can be tuned by performing either chemical surface modifications of the nanoparticles, or by playing with the mass and/or grafting properties of the polymer chains. In this talk, some straightforward ways to obtain information from small-angle scattering on the structure of nanocomposites will be presented [1]. In particular, we will review recent results on nanocomposites close to industrial applications, including what is probably one of the first quantitative analyses of such disordered structures by a combination of SAXS, TEM and numerical simulations [2]. This analysis will then be applied to the impact of small molecules on such structures [3]. Concerning chain structure, a quick outlook on why contrast-matching with SANS in nanocomposites often fails will be proposed [4]. REFERENCES1.A.-C. Genix and J. Oberdisse, Structure and dynamics of polymer nanocomposites studied by X-ray and neutron scattering techniques. Current Opinion in Colloid & Interface Science 2015, 20, 293-303 (2015).2. G. P. Baeza, A. C. Genix, C. Degrandcourt, L. Petitjean, J. Gummel, M. Couty and J. Oberdisse, Multiscale Filler Structure in Simplified Industrial Nanocomposite Silica/SBR Systems Studied by SAXS and TEM, Macromolecules, 46, 317-329 (2013).3. D. Musino, A.-C. Genix, C. Fayolle, A. Papon, L. Guy, N. Meissner, P. Weda, T. Bizien, T. Chaussée, J. Oberdisse, Synergistic effect of small molecules on large-scale structure of simplified industrial nanocomposites, submitted.4. A. Banc, A.-C. Genix, C. Dupas, M. Sztucki, R. Schweins, M.-S. Appavou, J. Oberdisse, Origin of small-angle scattering from contrast-matched nanoparticles: A study of chain and filler structure in polymer nanocomposites, Macromolecules, 48, 6596−6605 (2015).

Nous étudions le comportement de gels, transitoires auto-assemblés et réticulés permanents, soumis à des contraintes mécaniques extrêmes. D'une part, nous étudions la déformation biaxiale de nappes libres produites par impact d'une goutte liquide (Newtonienne ou viscoélastique) ou d’une perle de gel polymère sur des surfaces solides dans des conditions de dissipation minimale, obtenues soit avec une petite cible solide, soit avec une surface répulsive. Lors de l'impact, la goutte ou perle est transformée en une nappe mince qui s’étend et se rétracte sous l’action de forces de rappel élastiques. Pour les fluides viscoélastiques avec un temps de relaxation plus petit que la durée de vie typique de la nappe, la dynamique de la nappe viscoélastique est similaire à d’un liquide visqueux Newtonien de même viscosité. L’expansion maximale de la nappe diminue avec la viscosité et est modélisée quantitativement en utilisant un bilan énergétique entre l'inertie, la tension superficielle et la dissipation du cisaillement visqueux sur la cible solide, qui peut être prise en compte en mesurant une vitesse effective de la nappe à temps court, en sortie de cible. Nous montrons en outre que la dissipation visqueuse peut être sensiblement éliminée en utilisant une surface solide sur la base d'un effet de Leidenfrost inverse. Les expériences effectuées à l'aide de perles élastiques de modules élastiques variables, de gouttes liquides de tensions superficielles variables et de gouttes viscoélastiques révèlent un comportement universel pour l’expansion maximale de la nappe avec la vitesse d'impact, avec une dynamique analogue à celle d'un système ressort-masse conventionnel. Nous montrons en outre que, pour les gouttes qui impactent une petite cible solide, une description similaire peut être utilisée une fois que la dissipation visqueuse est prise en compte en remplaçant la vitesse d'impact par la vitesse effective. Un autre comportement fascinant des fluides viscoélastiques est l’expansion hétérogène de la nappe associée à l’apparition de fissures, révélant la nature élastique du fluide viscoélastique. D’autre part, nous étudions la déformation uniaxiale et la facture de filaments de doubles réseaux transitoires en couplant rhéométrie extensionnelle et imagerie rapide des filaments étirés. Nous établissons un diagramme d'état qui délimite le régime de du filament, lorsqu'il est étiré à un taux supérieur à l'inverse du temps de relaxation du plus lent des deux réseaux. Nous démontrons quantitativement que les processus de dissipation ne sont pas pertinents dans nos conditions expérimentales et que, suivant la densité des nœuds dans les réseaux, la rupture se produit dans le régime élastique linéaire, ou non linéaire précédé d'une augmentation considérable de la viscosité extensionnelle. L'analyse des profils d'ouverture des fissures indique, pour des réseaux faiblement connectés, des écarts par rapport à une forme parabolique en pointe de fissure, caractéristique d’une fracture fragile en régime linéaire. Nous montrons une corrélation directe entre l'amplitude de la déviation de la forme parabolique et le caractère non linéaire de la déformation élastique.

Les matériaux nanocomposites obtenus par la dispersion de charges nanométriques dans un polymère ont de nombreuses applications industrielles à cause de l’amélioration des propriétés des matrices. La dispersion des charges pendant le procès de préparation des nanocomposites est déterminée par les interactions entre charges et avec le polymère. L’état final de dispersion impacte les propriétés structurales, dynamiques et mécaniques du matériau.Dans ce travail de thèse, nous proposons l’étude de nanocomposites produits par dispersion de billes de silice hydrophiles dans une matrice de polymère hydrophobe, i.e., styrene-butadiene (SB), couramment utilisé dans les pneumatiques. Nous avons notamment étudié l’impact des agents de recouvrement - des silanes réagissant avec la surface des charges – qui sont utilisés afin de promouvoir la compatibilité entre la silice et le SB.Dans un premier temps, nous avons étudié des matériaux composites industriels simplifiés obtenus par l’incorporation de silice hautement dispersible dans le SB. En couplant des expériences de diffusion des rayons-X aux petits angles (DXPA) avec de la microscopie, nous avons montré que : i) la présence d’un catalyseur (DPG) amplifie l’effet de l’agent de recouvrement; ii) l'augmentation de la quantité de silane favorise la réduction de la taille des agrégats de silice. De plus, un système modèle équivalent au système industriel simplifié a été développé, mais avec une silice colloïdale. Nous avons mis au point une nouvelle méthode pour modifier la surface des billes de silice en suspensions dans en mélange eau/éthanol. Ces nanoparticules sont ensuite stabilisées dans le même solvant utilisé pour la dissolution du SB, le MEK. Enfin, le composite modèle est obtenu par évaporation du solvant. La dispersion des billes de silice greffées a été étudiée en suspension (i.e., dans le mélange eau/éthanol et MEK) et dans le nanocomposite, en couplant DXPA avec des simulations de Monte-Carlo inverse. Nous avons montré que la qualité de la dispersion dépend du type de silane utilisé et qu’elle est transférée du solvant (MEK) au composite. De plus, l’impact des agents de recouvrement sur les propriétés dynamiques (relaxation α) du système modèle a été étudié par spectroscopie diélectrique, BDS. Nous avons découvert que les agents de recouvrement peuvent plastifier le SB pur, en induisant une baisse significative de la température de transition vitreuse. Dans les composites, la modification de l’état de surface des billes par l’agent de recouvrement n’altère pas la relaxation α. Cependant, la présence de molécules de silane libres dans la matrice polymère du nanocomposite peut également induire un effet de plastification.

In recent years, materials with enhanced mechanical properties have attracted both fundamental and industrial interest. The present study concerns nanocomposites (NCs) made by dispersion of silica nanoparticles in a soft polymer matrix of styrene/butadiene (SB), which is commonly used in car tires. We work on both a simplified industrial system (solid mixing with millimetric silica pellets) and we developed a model system (solvent casting with surface-modified colloidal silica). The NC characteristics may be tuned by the grafting of silane coating agents (SCAs) which differ in the length of their alkyl groups (different hydrophobicity). These agents may influence filler dispersion via different polymer/filler and filler/filler interactions. The investigation of NC materials is essential for many industrial applications, in particular for the improvement of tire performances from an energetical and climatical point of view.