rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Viscoélasticité des élastomères
Chercheurs : Mark Sutton et Luc Piché
Collaborateurs : F. Livet, F. Bley (I.N.P.G), F. Ehrburger-Dolle, E. Geissler et I. Morfin (U. Joseph Fourier)
Contact : Mark Sutton, McGill; mark@physics.mcgill.ca; www.physics.mcgill.ca/~mark/
Partant de notre technique de spectroscopie des fluctuations d’intensité de rayons X, on construit
une cellule de force in situ pour sonder l’origine microscopique de la viscoélasticité des élastomères
caoutchoucs. Notre approche hétérodyne distingue écoulement local et processus dissipatifs.
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Le réseau formé par les enchevêtrements des chaînes polymères
avec des noeuds fixés par réticulation ou par greffage
sur des additifs de particules solides confère aux élastomères
caoutchoucs leur réponse élastique et réversible même
devant les grandes déformations. Ici, il n’y a qu’à penser aux
applications pour les pneumatiques. En vue de sonder l’origine
microscopique de ces propriétés globales, on complète
notre technique de spectroscopie des fluctuations d’intensité
des rayons X (XFIS) par des mesures effort déformation
simultanées.
Figure 1. Exemple d’ajustement par fonction de corrélation simple (noir) puis corrigée
pour la taille finie des zones de moyennage (rouge).
Les hypothèses récentes attribuent l’origine des propriétés
d’élasticité entropique des caoutchoucs à un effet couplé des
réseaux moléculaires interpénétrés et des agrégats filamentaires
formés par les particules d’additifs. En particulier, on fait
référence à l’idée de blocage (jamming), par analogie avec les
écoulements granulaires où la dynamique est freinée par les
encombrements associés à la proximité des particules [1].
Les expériences sont réalisées sur la ligne IMMY/XOR-CAT
(8-ID) du synchrotron de l’APS (Argonne, IL, USA) [2]. On fait
appel à une technique que nous avons développée récem-
ment : l’échantillon est éclairé avec des rayons X cohérents et
les fluctuations d’intensité sont évaluées par spectroscopie
hétérodyne [3].
Une série de systèmes modèles sont étudiés. Les polymères
de base sont, soit une résine éthylène propylène (EPR) ou un
composé similaire d’éthylène propylène avec un diène non
conjugué (EPDM). Les additifs de particules solides proviennent
de noir de carbone ou de fumée de silice. En jouant sur le
taux de réticulation et la teneur en additifs, on ajuste les paramètres
qui fixent les propriétés élastiques.
S’il y a écoulement de la matière, la fonction de corrélation
obtenue en mode hétérodyne va présenter une série d’oscillations
amorties dont l’enveloppe est une mesure directe de
la dissipation. Ainsi, en mode hétérodyne la technique XIFS
permet de mesurer à la fois les effets d’advection et de dissipation
qui définissent l’équation de mouvement. L’approche se
présente donc comme un outil puissant pour étudier les mécanismes
à l’origine de la viscoélasticité.
Ici, on illustre la méthode à partir de résultats préliminaires
obtenus avec des résines EPDM réticulées contenant des
particules de silice. Les fonctions de corrélation dépendent du
vecteur d’onde et de l’angle f avec la direction de l’écoulement
local. À titre d’exemple, à la figure 1, l’échelle des intensités
indique le degré de corrélation : on voit nettement apparaître
les oscillations et la dépendance à l’angle f. On a ajouté les
lignes de contour obtenues par ajustement avec une fonction
exponentielle amortie où la fréquence dépend de f. Les résultats
sont probants; en particulier on peut estimer la direction,
f 0 = 291.7°, ainsi que la vitesse v = 3.09 Å/s de l’écoulement
local (t = 88.03 s pour q = .008 Å -1 ). Évidemment, il reste encore
beaucoup à faire; néanmoins il est manifeste que la méthode
produit des résultats nouveaux concernant l’origine microscopique
de la viscoélasticité dans les élastomères.
Références
[1] “Jamming is not cool anymore”, A.J. Liu et S.R. Nagel,
Nature 396, 21 (1998).
[2] “Structure and dynamics of concentrated dispersions of polystyrene
latex spheres in glycerol: Static and dynamic x-ray scattering”,
D. Lumma, L.B. Lurio, M.A. Borthwick, P. Falus et S.G. Mochrie,
Phys. Rev. E 62, 8258 (2000).
[3] “X-ray intensity fluctuation spectroscopy by heterodyne detection”,
F. Livet, F. Bley, F. Ehrburger-Dolle, I. Morfin, E. Geissler et M. Sutton,
J. Synch. Rad. 13, 453 (2006).