N° d'ordre

N° d’ordre : 2190








THESE


présentée

pour obtenir

LE TITRE DE DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE



École doctorale : Sciences des Procédés

Spécialité : Génie des Procédés et Environnement


Par Mme ZAPATA-MASSOT Céline



SYNTHESE DE MATERIAUX COMPOSITES PAR CO-BROYAGE
EN VOIE SECHE. CARACTERISATION DES PROPRIETES
PHYSICO-CHIMIQUES ET D’USAGES DES MATERIAUX.



Soutenue le 21 décembre 2004 devant le jury composé de :


M. Mehrdji HEMATI Président
MM. Nadine LE BOLAY Directrice de thèse
M. Pierre GUIGON Rapporteur
M. Michel SARDIN
M. Alain LAMURE Membre
MM. Sonia MOLINA-BOISSEAU Membre



Remerciements.


Je tiens tout d’abord à remercier Nadine LE BOLAY de m’avoir acceptée dans son
équipe de recherche et de m’avoir soutenue et supportée tout au long de mon travail. Merci
pour ces longues discussions et ces conseils extrêmement précieux et constructifs.

Je remercie Joël BERTRAND, directeur du LGC, de m’avoir accueilli dans le
laboratoire.

Je souhaite particulièrement remercier Messieurs Pierre GUIGON et Michel SARDIN
d’avoir bien voulu être rapporteurs de ce mémoire et de participer à ce jury.

Merci à Messieurs Mehrdji HEMATI et Alain LAMURE de participer à ce jury.

J’adresse aussi toute ma gratitude à Madame Sonia MOLINA-BOISSEAU pour sa
gentillesse, sa disponibilité et pour son accueil extrêmement chaleureux lors de ma visite à
Grenoble.

Je souhaite remercier la Société Malvern Instruments, tout particulièrement Stéphane
ROUQUETTE, Responsable Malvern France, Michel TERRAY, Responsable Marketing, et
m’excuser auprès de Yves BOUFFARD pour toutes les colles que j’ai pu lui poser.

Je pense également à tout le personnel du LGC, les enseignants, les chercheurs, les
techniciens, le personnel administratif, les doctorants, les stagiaires et plus particulièrement :
Christine ROUCH (spécialiste du granulomètre laser et des analyses thermiques), Jean -Marc
SFEDJ, Alain MULLER et Jean-Louis NADALIN pour leurs coups de clés souvent
magiques, Laure DUPRAT, Carine JULCOUR et Martine AURIOL pour me supporter tous
les midis et pour leur aide aussi bien scientifique que technique et pour leurs encouragements.


Je remercie ma mère, ma soeur, ma famille et mes amis pour m’avoir soutenu et
encouragé et enfin merci à toi Laurent pour ton aide, ton soutien et tout ce que tu m’apportes.

En dernier lieu, je te dédie ce travail, Papa. Je pense que tu aurais été fier de moi. Remerciements.
Avant propos.

Le travail présenté a été réalisé au sein de l’équipe traitement du solide en voie sèche
du Laboratoire de Génie Chimique UMR-CNRS 5503 dans le cadre d’une thèse financée par
une bourse du ministère de l’Education Nationale.

Une partie de la recherche concernant l’analyse morphologique des particules a été
réalisée en collaboration avec la société Malvern Instruments située à Orsay. La partie relative
à la caractérisation des propriétés mécaniques des matériaux a été réalisée en collaboration
avec le Centre d’Etudes et de Recherches sur les MAcromolécules Végétales (CERMAV) de
Grenoble.

Cette thèse a donné lieu aux publications et communications suivantes :

PUBLICATIONS

Production of small composite particles by co-grinding in a media mill –
Characterization of the granulometric and mechanical properties.
C. Zapata, C. Frances, N. Le Bolay et S. Molina-Boisseau.
Trans IChemE, Part A, Chem.Eng. Res. Des., 82 (A5), 2004, 631-636.

On the use of scanning electron microscopy for the modelling of co-grinding kinetics
in a tumbling ball mill.
C. Zapata-Massot, C. Frances and N. Le Bolay
Powder Technology, 143-144, 2004, 215-229.

COMMUNICATIONS AVEC ACTES ET COMITE DE LECTURE SUR TEXTE

Kinetic study of poly (vinyl acetate) - calcium carbonate co-grinding in a ball mill.
N. Le Bolay, C. Zapata, M. Peruzzi et B. Mazzarotta.
World Congress of Particles Technology 4, publiée dans le CD Rom du congrès
ISBN 085-825-7947, Sydney (Australie), 21 – 25 Juillet 2002.

Production de particules de matériaux composites par co-broyage – Caractérisation
des propriétés granulométriques et mécaniques.
C. Zapata, C. Frances, N. Le Bolay et S. Molina-Boisseau.
ème9 Congrès de la Société Française de Génie des Procédés, publiée dans le CD Rom
Récents progrès en Génie des Procédés ISBN 2-910239-64-0, Saint Nazaire (France),
9 – 11 Septembre 2003

Synthèse par co-broyage de matériaux composites chargés de nanotubes de carbone.
C. Zapata, S. Molina-Boisseau et N. Le Bolay.
ème4 colloque Science et technologie des poudres, publiée dans le CD Rom Récents
progrès en Génie des Procédés ISBN 2-910239-65-9, Compiègne (France), 4 – 6 Mai
2004. Avant propos.

Caractérisation des propriétés physico-chimiques de nanotubes de carbone broyés.
C. Zapata, A. Nicaise et N. Le Bolay.
ème4 colloque Science et technologie des poudres, publiée dans le CD Rom Récents
progrès en Génie des Procédés ISBN 2-910239-65-9, Compiègne (France), 4 – 6 Mai
2004.

COMMUNICATIONS AVEC ACTES ET SELECTION SUR RESUME

Utilisation de la caractérisation morphologique des particules dans la détermination de
la cinétique de synthèse des matériaux composites par co-broyage en voie sèche.
C. Zapata, C. Frances et N. Le Bolay.
Colloque « De la poudre au matériau massif », publiée dans les actes du colloque,
pages 143 – 145, Albi (France), 3 – 5 Juin 2003.

De l’apport du co-broyage dans la synthèse de matériaux composites – Caractérisation
des mélanges par analyse morphologique.
C. Zapata et N. Le Bolay
Journées thématiques du groupe de travail « Solides Divisés » de la SFGP : Mélange,
échantillonnage et distribution de temps de séjour, publié dans les actes du colloque,
chapitre analyse morphologique, Albi (France), 11 et 12 Décembre 2003.

COMMUNICATION SANS ACTE

Utilisation de la caractérisation morphologique des particules dans la détermination de
la cinétique de synthèse des matériaux composites par co-broyage en voie sèche.
C. Zapata, C. Frances et N. Le Bolay
Séminaire Malvern Instruments, Toulouse (France), 12 Juin 2003.

CONFERENCE SUR INTERNET

Caractérisation des mécanismes de co-broyage par analyse morphologique.
C. Zapata.
Cette conférence est accessible sur le site de Malvern Instrument à l’adresse suivante :
http://www.brainshark.com/malvern/PVS_ENSIACET





















Sommaire Sommaire.

3 Introduction générale.

Chapitre 1 : Synthèse bibliographique.

1. Les polymères. 9
1.1. Généralités sur les polymères. 9
1.2. Propriétés physiques. 13
1.2.1. L’état cristallin et amorphe. 13
1.2.1.1. L’état amorphe. 13
1.2.1.2. L’état cristallin. 13
1.2.2. Changement d’état des polymères. 1
1.3. Propriétés mécaniques. 15
1.4. Essais thermomécaniques. 17
1.4.1. Influence de la température. 17
1.4.2. Influence de la cristallinité. 17
1.4.3. Influence de la masse molaire. 18
1.4.4. Influence de la vitesse de déformation. 19
2. Les matériaux composites 20
2.1. Généralités. 21
2.2. Composition d’un matériau composite. 21
2.2.1. Les matrices polymères. 23
2.2.1.1. Les matrices thermoplastiques. 23
2.2.1.2. Les maodurcissables. 24
a) Les résines polyester insaturées. 25
b) Les résines phénoliques. 25
c) Les époxy. 25
2.2.2. Les renforts. 25
2.2.2.1. Les différents types de renforts. 26
a) Les charges particulaires renforçantes. 26
b) Les charges particulaires inertes. 27
c) Les renforts fibreux. 27
2.2.2.2. Les différentes propriétés affectées par les charges. 27
2.2.3. Relation matrice – renfort. 29
2.2.3.1. Le modèle électrostatique. 29
2.2.3.2. Le modèle de la diffusion interfaciale. 30
2.2.3.3. Le modèle de l’adsorption thermodynamique. 30
2.2.3.4. Le modèle de la liaison chimique. 30
2.2.3.5. Le modèle de Bikerm