PLA/carbon nanotubes composites for thermoelectric applications : relationships between elaboration, structure and properties

Dans un contexte où la récupération d'énergie est devenue un enjeu majeur, le développement de matériaux thermoélectriques organiques pour la conversion de chaleur fatale en électricité est primordial. Dans cette recherche, les relations entre l'élaboration, la structure et les propriétés thermoélectriques de nanocomposites Acide polylactique/nanotubes de carbone (PLA/NTC) ont été étudiées. Deux grades industriels de PLA, l'un amorphe, l'autre cristallisable, ont été utilisés en tant que matrice polymère et différents types de NTC, dont des nanotubes de carbone multi-feuillets (MWCNT), mono-feuillet (SWCNT), et mono-feuillet fonctionnalisés (SWCNT-COOH) ont été utilisés comme charges.Des échantillons de nanocomposites contenant différentes fractions de MWCNT ont été élaborés sous forme de disques « épais » par deux procédés : par mélange en voie fondue (jusqu'à 10 % en masse de MWNTC) et par mélange en solution (jusqu'à 40 % en masse de MWNTC). La figure de mérite thermoélectrique transversale (dans l'épaisseur) ZT = (S^2)σT/ de ces disques a été déterminée à température ambiante, en mesurant la conductivité électrique (σ) par spectroscopie diélectrique, le coefficient Seebeck S (aussi appelé “pouvoir thermoelectrique”) avec un appareil développé en interne et la conductivité thermique (κ) par Laser Flash Analysis (LFA). Les résultats démontrent que le processus d'élaboration ni la structure du PLA (amorphe ou semi-cristalline) n'a d'impact significatif sur les propriétés thermoélectriques des nanocomposites, mais les valeurs de conductivité électrique (σ) mesurées à la surface (dans le plan) des échantillons sont 100 à 1000 fois plus élevées que les valeurs transversales, révélant une forte anisotropie des propriétés thermoélectriques dans ces échantillons. De plus, des films minces PLA/MWCNT ont été élaborés par « drop-casting », en utilisant la même procédure de mélange en solution et avec la même teneur en charge que les pastilles. La figure de mérite (ZT) mesurée dans le plan à température ambiante par un analyseur de films minces (TFA) a révélé que la conductivité électrique des films minces est similaire aux valeurs mesurées dans le plan sur les pastilles.Pour étudier l'impact de l'orientation des nanotubes sur les performances thermoélectriques, des échantillons épais ont été étirés à différents taux de déformation afin d'induire un alignement des nanotubes au sein de la matrice PLA. Les conductivités électriques, dans le plan et transversale, mesu