Renforcement des élastomères

L'incorporation de charges nanométriques dans une matrice élastomère permet une forte amélioration des propriétés finales comme la rigidité, le module, l’énergie de rupture, la résistance à la déchirure et à la fissuration et la résistance à la fatigue et à l'abrasion. Ce renforcement mécanique présente un intérêt commercial notamment dans le domaine du pneumatique avec l'amélioration de l'usure de la bande de roulement, la résistance des flancs…

Une autre conséquence de l'incorporation de charges dans un élastomère est la modification significative des propriétés dynamiques du caoutchouc connu sous le nom d’effet « Payne ». Ce phénomène, d'une grande importance dans l'industrie du caoutchouc, a suscité beaucoup d'intérêt. Le réseau de charges formé, via des interactions directes charge/charge ou via un modèle de couches d’élastomère immobilisé sur la surface des charges, semble être la principale origine des mécanismes qui régissent la réponse dynamique.

Par ailleurs, soumis à de grandes déformations ou de fortes contraintes, les élastomères chargés (et vulcanisés) montrent une hystérèse atypique connue sous le nom d’effet « Mullins ». Ce comportement n’est pas encore complètement compris mais un consensus existe sur les mécanismes d’endommagement microscopiques à l’origine de l’effet : extensibilité limitée des chaînes soumises à l'amplification des contraintes, rupture ou au glissement…

Ces propriétés ou comportements singuliers dépendent d’un grand nombre de paramètres tels que la fraction volumique de charge, leur forme et leur taille mais aussi des interactions entre les charges et/ou celles entre les charges et la matrice qui conduisent à l’adsorption d’élastomère à la surface des charges dont le rôle primordial dans le mécanisme de renforcement est démontré. Par ailleurs, la qualité de l’état de dispersion et de distribution des charges est très importante. Généralement, plus la dispersion et la répartition des charges dans la matrice sont bonnes, plus les propriétés le sont aussi. Par exemple, dans l'industrie des pneus, de manière générale, une bonne dispersion des charges diminue les pertes d'énergie viscoélastiques et par conséquent la résistance au roulement.

Une grande variété de charges est utilisée dans les caoutchoucs mais ce sont essentiellement les noirs de carbone et les silices que l’on retrouve dans la majorité des formulations industrielles. Mais, il faut mentionner qu’il existe d’autres types de charges (renforçantes ou faiblement renforçantes) qui n’influent pas ou peu sur les propriétés mécaniques des mélanges. Leur utilisation est basée sur une motivation économique (Kaolin, talcs, carbonates de calcium…). Les silices sont généralement recherchées pour leur forte réduction de la résistance au roulement et donc de la consommation de carburant. Leur application s’est généralisée dans les formulations des bandes de roulement des pneus pour véhicules de tourisme. Les noirs de carbones quant à eux sont très largement utilisés pour des applications poids lourds (ou même dans les pneus tourisme en plus de la silice) en raison de leur apport en termes d’usure et de durabilité des pneus.