Molecular mobility and interfacial polarisation in epoxy-amine networks with controlled crosslink density heterogeneity

Mobilité moléculaire et polarisation interfaciale dans les réseaux époxy-amine à hétérogénéité de densité de réticulation contrôlée Les propriétés physiques des réseaux thermodurcissables sont largement influencées par leur architecture et en particulier par leur densité de réticulation et hétérogénéité topologique. Cela concerne notamment les propriétés mécaniques aux grande déformation (e.g. effets bien établis sur la ténacité), les propriétés barrières (e.g. perméabilité aux gaz, absorption d'eau), ainsi que les propriétés électriques, en lien avec la polarisation interfaciale ou effet Maxwell-Wagner-Sillars (MWS), caractéristique des diélectriques hétérogènes. La mobilité moléculaire est identifiée pour intervenir au premier ordre dans des propriétés physiques macroscopiques de la phase amorphe des polymères, ce qui rend son étude essentielle à l'établissement de relations structure-mobilité-propriété dans les réseaux hétérogènes, enjeu central pour la conception de matériaux polymères avancés. Dans ce contexte, cette étude vise à approfondir la compréhension fondamentale des liens entre l'hétérogénéité et ses manifestations physiques. À cette fin, des réseaux époxy-amine avec hétérogénéité topologique contrôlée de densité de réticulation ont été obtenus par dispersion de microgels époxy réticulés (MEs) dans une matrice époxy de nature chimique similaire. Les réseaux obtenus vont de réseaux homogènes (sans MEs) à des réseaux hétérogènes présentant des zones (MEs) ayant des densités de réticulation différentes de celles du réseau constituant la phase continue environnante. Une approche multitechnique combinant calorimétrie différentielle à balayage (CDB), analyse mécanique dynamique (AMD) et spectroscopie diélectrique dynamique (SDD) a été mise en œuvre pour explorer en profondeur la mobilité moléculaire de ces matériaux. Les premières investigations ont porté sur les réseaux homogènes afin d'établir une base de référence. Les effets des conditions de stockage ambiantes, notamment de l'humidité absorbée, en conjonction avec la densité de réticulation du réseau, sur les propriétés physiques telles que la mobilité moléculaire et la conductivité ont été étudiés. Des effets significatifs sur les modes de relaxation principaux (alpha) et secondaires ont été observés, soulignant l'importance du contrôle des conditions initiales des échantillons lors des études sur la mobilité moléculaire. L'analyse suivante s'est portée sur les réseaux hétérogènes. Ceux présentant un fort contraste de densité de réticulation ont révélé deux mécanismes distincts liés à la transition vitreuse, c'est-à-dire, deux Tg et deux modes alpha, correspondant aux deux types de réseaux mis en commun (MEs et matrice). L'analyse SDD a révélé une relaxation interfaciale (ou mode MWS), absente dans les réseaux homogènes de référence, et donc associée aux interfaces ME/matrice, ce qui la rend un marqueur de l'hétérogénéité structurelle introduite. Ce mode a fait l'objet d'une étude approfondie, tant expérimentale que théorique, à l'aide de la modélisation basée sur la théorie de Maxwell-Wagner. Un excellent accord a été observé entre les prédictions du modèle et le mode MWS mesuré expérimentalement dans le réseau correspondant le mieux aux hypothèses du modèle, apportant ainsi une preuve expérimentale de la validité de cette théorie fondatrice. Cet accord solide a permis de mieux comprendre les paramètres gouvernant la polarisation MWS, et ouvre la voie à la prédiction des propriétés électriques d'une phase constituante à partir de l'analyse expérimentale du mode, ce qui a été démontré pour l'un des réseaux étudiés. Ces résultats soulignent le potentiel de l'analyse MWS par BDS pour révéler des informations clés sur la structure physico-chimique des matériaux.