Développement de vitrages polymères anti-rayure pour la conservation préventive des œuvres

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1 Développement de vitrages polymères anti-rayure pour la conservation préventive des œuvres Mickaël Berrebi Laboratoire de Physicochimie des Polymères et des Interfaces Co-Directeur de thèse : Odile Fichet Encadrant : Isabelle Fabre-Francke Centre de Recherche sur la Conservation des Collections Co-Directeur de thèse : Bertrand Lavédrine 1

2 Problématique : Domaine de la conservation des œuvres Protéger les œuvres sans altérer leur perception Rayonnement UV Propriété Anti-rayure Utilisation massive du PMMA mais sensibilité à la rayure 2

3 Problématique : Domaine de la conservation des œuvres Protéger les œuvres sans altérer leur perception Rayonnement UV Propriété Anti-rayure Utilisation massive du PMMA mais sensibilité à la rayure Quelles solutions existent-t-ils? Utilisation de charges CaCO 31, SiO 22 Renforcement des propriétés mécaniques/surface Commercialement : Vitrage Multicouches Bonnes propriétés : - anti rayure - anti reflet - anti UV - anti statique Coût élevé du matériau (2000 /m²) Nécessité de développer une alternative : Les Réseaux Interpénétrés de Polymères (RIP) 1 M. Avella and al Nano Letters (2001) 1, 4, F. Bauer and al Macromol. Mater. Eng. (2002) 287, 8,

4 Les Réseaux Interpénétrés de Polymères : Définition : Combinaison d au moins deux réseaux de polymères dont l un au moins est synthétisé en présence de l autre Mélange de Polymères Thermodynamiquement instable Réseaux Interpénétrés de Polymères Combinaison des propriétés Stabilité dimensionnelle Miscibilité forcée 4

5 Etat de l art : PMMA Polyurethane 3 NBR 4 Dérivé Cellulosique 5 PVC 6 Propriétés thermiques et de résistance à la traction Propriétés à la traction Meilleures performances en ductilité et ténacité Propriétés thermiques du PVC Cahier des charges pour un vitrage : Transparence Synthèse sans solvant Monomère miscible avec le MMA Meilleure résistance à la rayure Solution : Utiliser le PCR39 Indice de réfraction proche du PMMA 1,491 et 1,498 Miscible en toutes proportions Utilisation verre optique 3 S.Desai and al Journal of Applied Polymer Science (2005) 97, 4, M. M. Jarasuriya and al Journal of applied polymer science (2011) 124, 5, D. Aoki and al Cellulose (2011),18, R.Chakrabati and al Journal of Applied Polymer Science (2005),97,

6 Mélange des monomères Amorceurs thermiques CR39 (25 75) PCDH POB 3h30 à 35 C, 2h à 80 C, 1h à 100 C RIP PCR39 /PMMA + + MMA (25 75) EGDMA (0 10) Synthèse type in situ séquentielle 6

7 Mélange des monomères Amorceurs thermiques CR39 (25 75) PCDH POB 3h30 à 35 C, 2h à 80 C, 1h à 100 C RIP PCR39 /PMMA + + MMA (25 75) Suivi de la synthèse : Spectroscopie FTIR NIR EGDMA (0 10) Synthèse type in situ séquentielle PMMA PCR39 Suivi de la disparition du pic caractéristique des liaison C=C-H à 6136cm -1 7

8 Mélange des monomères Amorceurs thermiques CR39 (25 75) PCDH POB 3h30 à 35 C, 2h à 80 C, 1h à 100 C + + MMA (25 75) EGDMA (0 10) Synthèse type in situ séquentielle Suivi de la formation des réseaux : Synthèse PMMA 25/75 50/50 75/25 Synthèse PCR39 Conversion proche de 100% Conversion vérifié par DSC : pas d exotherme Extraction au soxhlet : < 1% Bonne réticulation des polymères Matériaux transparents 8

9 Morphologie : 2 types d architecture possibles Co-continuité des phases Phase dispersée Analyse Mécanique Dynamique (DMA) : module de conservation PCR39 75/25 50/50 25/75 PMMA Co-continuité des phases Combinaison des propriétés 9

10 Analyse Mécanique Dynamique (DMA) : tan δ Un seul Pic 148 C PMMA PCR39 75/25 90 C 104 C 115 C 130 C 50/50 25/75 Bonne interpénétration domaine de phase < 50nm Loi de Fox : 1 T M T PMMA PMMA T PC PC 10

11 nm Introduction Résistance aux solvants : Dépôt d une goutte sur le vitrage puis analyse en microscopie optique (zoom x25) PMMA RIP PCR39 Isopropanol µm Introduction de PCR39 Meilleure résistance aux solvants pour le RIP 11

12 Vieillissement : Type : Chaleur Humide Conditions : 50 C, 100% Humidité Relative, 21 jours Modification optique des matériaux : Analyse Colorimétrique Mesure des coefficients L, a, b 2 PCR39 Jauni 1,5 1 RIPs 0,5-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0-0,5-1 PMMA ( Degrés de Réticulation) Pas de jaunissement des RIPs 12

13 Rayure Collaboration Institut Charles Sadron (ICS) Strasbourg, Equipe de Christian Gauthier Physique-Mécanique et Tribologie des Polymère (PMTP) Application d une rayure Scléromètre : Micro-Viso-Scratch (MVS) Principe : Fn : Force normale 0,05 3N v : 30µm.s -1 R : Rayon de la bille Grand Rayon Petit Rayon Déformation Elastique Déformation Plastique 13

14 Allure générale des courbes : Rayure Zone de déformation Elastique Zone de déformation Plastique pression et déformation à partir desquelles la rayure apparait 14

15 Pression (MPa) Déformation Rayure Effet de la proportion en PCR39 sur la valeur de pression limite à l apparition de rayure Pression diminue avec le taux de PCR %wt PCR39 Effet de la proportion en PCR39 sur la valeur de déformation limite à l apparition de rayure 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 Augmente avec l augmentation de la proportion de PCR39 RIP plus résistant à la déformation que PMMA 0, %wt PCR39 15

16 Endommagement : Rayure Fn : Force normale 0,05 3N v : 30µm.s- 1 R : Rayon de la bille T : 25 C Observation microscope LEICA en contraste de phase, grossissement x10 PMMA RIP PCR39 /PMMA (50 : 50) PCR39 27µm Combinaison des mécanismes d endommagement sur le RIP 16

17 % Recouvrement Introduction Recouvrement de la rayure : Rayure Pourcentage de recouvrement après 90 jours PMMA RIP PCR39 /PMMA (50 : 50) PCR wt% PCR39 1 jours 90 jours Introduction depcr39 permet la recouvrance 27µm 23µm 17

18 Rayure Conclusions et Perspectives Synthèse de nouveaux matériaux de type RIP PCR39 /PMMA Transparents Morphologie de co-continuité des phases Propriétés mécaniques de surface supérieures à celles du PMMA : Recouvrement de la rayure Propriété modulable en fonction du taux de PCR39 Meilleure résistance aux solvants Meilleure résistance au vieillissement PCR39 RIP PCR39 /PMMA 18

19 Number (%) Introduction Rayure Conclusions et Perspectives Perspectives : Dispersion des nanoparticules de SiO 2 au sein d un RIP Améliorer résistance à la rayure 1 er Résultats : RIP PCR39 /PMMA réticulé avec SiO 2 greffé par des fonctions méthacrylate Particule sizer Size Distribution by Number Size (d.nm) Record 63: MMA SiO2-MPTS concentré (6.5wt%) Matériau transparent 19

20 Merci de votre attention 20

21 Développement de vitrages polymères anti-rayure pour la conservation préventive des œuvres 21