La liaison de nanoparticules au caoutchouc multiplie par six la résistance à la fatigue du matériau

L’intégration stratégique de particules rigides autour de longues chaînes de polymère peut dissiper les contraintes dans le caoutchouc et multiplier par six le seuil de fatigue, ont montré des chercheurs américains. Cela ouvre potentiellement un « nouveau paradigme » pour la conception de caoutchoucs rigides et résistants à la fatigue dans des applications telles que les courroies texturées, les bandes de roulement de pneus et la robotique souple.

Un caoutchouc chargé est un matériau composite maintenu ensemble par une matrice de chaînes polymères élastiques et rigidifié par des particules rigides telles que du noir de carbone ou de la silice. Le matériau de remplissage peut augmenter le module élastique du caoutchouc de deux ordres de grandeur, ce qui rend les matériaux composites extrêmement utiles pour des applications telles que les pneus. Cependant, cela n’augmente pas de manière significative le seuil de fatigue (la quantité cumulée d’énergie que le matériau peut absorber au cours de cycles de déformation répétés avant de se rompre).

Dans un caoutchouc chargé traditionnel, les particules rigides ne se lient pas fortement aux chaînes polymères. Des chercheurs de l’Université Harvard ont étudié les effets d’une modification de cette situation à l’aide d’un polymère poly(acrylate d’éthyle) (PEA) à longue chaîne et hautement enchevêtré, rempli de nanoparticules de silice. Lorsque les nanoparticules étaient fonctionnalisées avec des groupes triméthylsilyle, qui ne se liaient pas aux chaînes polymères, la résistance à la fatigue était la même que celle du polymère non chargé. Cependant, les groupes fonctionnels méthacrylate de 3-(triméthoxysilyl)propyle formaient des liens étroits entre les nanoparticules de silice et les chaînes polymères. Le changement de groupe fonctionnel a donc permis aux enchevêtrements entre les chaînes interconnectées de stocker l’énergie dans une structure flexible en forme de filet. Ce changement a plus que doublé la résistance à la fatigue.

Les chercheurs ont ensuite augmenté le volume des particules du composite de 15 % à 45 %. Cela a permis aux particules de se regrouper plus étroitement et au composite résultant de « déconcentrer » les contraintes à deux échelles différentes : si une chaîne polymère entre deux particules échouait, la contrainte pouvait être dissipée dans les autres sans que les deux particules ne se séparent ; et si les deux particules se séparaient, la contrainte pourrait alors être transférée aux liens entre d’autres particules sans que le polymère ne tombe en panne. L’effet cumulatif a augmenté le seuil de fatigue jusqu’à six fois celui du PEA non renforcé.

Les chercheurs ont démontré l’utilité de leur composite en produisant une pince mécanique pour la robotique souple utilisant le kirigami – une variante de l’origami dans laquelle les structures sont pliées et découpées. Ceci est exigeant car un module d’élasticité élevé est nécessaire pour que la pince puisse soulever des charges importantes et un matériau avec un faible seuil de fatigue se brisera sous des cycles répétés de déformation à mesure que la fissure se propage. Les chercheurs rapportent que, alors qu’un polymère hautement réticulé se fracturait après seulement quelques cycles, son matériau pouvait soulever six fois la masse du PEA non renforcé, tout en présentant une déformation négligeable après 350 000 cycles.

«Je pense que cet article apporte vraiment un nouveau paradigme pour réfléchir à la durée de vie des matériaux souples comme le caoutchouc», déclare Gabriel Sanoja de l’Université du Texas à Austin. Il dit que l’idée « de concevoir l’architecture d’un matériau pour être efficace dans la délocalisation des contraintes semble prendre de l’ampleur dans la littérature ». Il espère donc que l’article amènera les chercheurs à explorer d’autres questions. « Comment procédez-vous réellement de manière rationnelle ? Comment exploiter réellement les chimies pour tirer parti de ce principe et peut-être même faire progresser les performances ? »