Processing and characterization of new thermoset nanocomposites based on cellulose whiskers

Élaboration et caractérisation de nouveaux nanocomposites thermodurcissables à base de whiskers de cellulose

¹ GEMPPM UMR 5510 CNRS-INSA.F-69621 Villeurbanne Cedex, France Mireya.Matos-Ruiz@insa-lyon.fr
² CERMAV-CNRS. Université J. Fourier, 38041 Grenoble Cedex 9, France
³ LMM, UMR 5627 CNRS-INSA, F-69621 Villeurbanne Cedex, France
⁴ FCPP-CNRS CPE Villeurbanne Cedex, France

Abstract

In the present study, the processing and the mechanical properties of new nanocomposites prepared from aqueous suspensions of (i) microcrystalline cellulose fillers and (ii) thermoset epoxy are described. The nature of cellulose fibers, which display a large shape factor and the capability to be associated by means of H-bonds implies that the processing method chosen in this study avoids the problem of a high level of viscosity of the epoxy reactive system-whiskers mixture.

The reinforcing effect of this type of natural fibers in an epoxy matrix is shown from the dynamic mechanical properties in the rubbery state. This unusual reinforcement is due to (i) the strong interactions existing between the cellulose whiskers and the epoxy network and, (ii) the creation of a percolating network linked by H-bonds between cellulose fibers. The existence of such a percolation effect is evidenced from the analysis of the rubbery shear modulus of nanocomposites based on various volume fractions of whiskers with mechanical modeling such as Halpin-Kardos and percolation approaches.

Résumé

L’élaboration et les propriétés mécaniques de nouveaux nanocomposites, préparés avec des suspensions aqueuses de (i) fibres de cellulose microcristalline et (ii) d’époxy thermodurcissable, sont décrites dans cette étude. La nature des fibres de cellulose, qui présentent un facteur de forme important et la capacité d’être associées au moyen de liaisons H impliquent que la méthode d’élaboration choisie dans cette étude évite le problème du haut degré de viscosité du mélange whiskers/système réactif époxy.

L’effet de renforcement de ce type de fibres naturelles dans une matrice époxy est montré par les propriétés mécaniques dynamiques à l’état caoutchoutique. Ce renforcement inhabituel est dû (i) aux interactions fortes existant entre les whiskers de cellulose et le réseau époxy et (ii) à la création d’un réseau percolant lié par des liaisons H entre les fibres de cellulose. L’existence d’un tel effet de percolation est prouvée par l’analyse du module de cisaillement caoutchoutique de nanocomposites contenant différentes fractions volumiques de whiskers et par une modélisation mécanique selon des approches telles que Halpin-Kardos et percolation.