Effet du recyclage et de la mise en forme des fibres de carbone sur les propriétés mécaniques des composites 2.0 

Recyclage par vapo-thermolyse

A la base développée pour le traitement des pneumatiques et la récupération du noir de carbon e, la vapo-thermolyse est un procédé thermochimique qui utilise la vapeur d’eau surchauffée à pression ambiante afin de décomposer la matrice organique du composite. Dans le cadre d’u n projet mené par la PME Toulousaine Alpha Recyclage Composites et en col laboration avec leslaboratoires de recherche ICA et RAPSODEE de l’IMT Mines d’Albi-Carmaux, une étude multiéchelle du procédé de vapo-thermolyse a été réalisée, dont l’objectif est de séparer les fibres de carbone des matrices polymériques en utilisant la vapeur d’eau surchauffée et d’éliminer jusqu’à99% de la résine du matériau composite initial [5-6]. Les fibres de carbone récupérées à partir des conditions du processus optimisées apparaissent propres, sans résine, assez longues (en fonction toutefois des dimensions de la pièce initiale à recycler et de celles du réacteur), quasi -équivalentes à des fibres neuves (Figure 1.5) et permettentd’envisager une nouvelle utilisation industrielle [5-6-36-37].

Valorisation des fibres de carbone recyclées

Valorisation en renforts non-tissés

Actuellement la fabrication des non-tissés en FCr est la solution la plus répandue dans l’industrie des composites de l’automobile. Le non-tissé est défini par l’EDANA (European Disposal and Nonwoven Association) comme étant un produit réalisé à partir de nappes de fibres individuelles, déposées quasiment parallèles au sens de fabrication ou orientées au hasard et liées par friction, cohésion ou adhésion [39].
L’industrie des non-tissés utilise quatre techniques différentes : la voie sèche (cardage), la voie aerodynamique, la voie fondue (extrusion d’un polymère) et la voie humide. En amont, la préparation de la fibre est une étape essentielle pour garantir l’efficacité du procédé et la performance du produit final. Excepté la technique de voie fondue, il est nécessaire de consoli der la majorité des non-tissés par voie chimique, thermique, mécanique ou hydraulique [39].

Mise en œuvre des non-tissés par voie humide /papetière

Ce procédé est similaire au procédé de fabrication des papiers (voie pa petière). Les fibres utilisées sont dispersées puis diluées dans une g rande quantité d’eau pour former une pâte. Cette pâte est amenée ensuite sur un tapis mobile d’égouttage servant à l’aspiration de l’eau et la formation d’un matelas de fibres ou voile. Une fois déshydraté, le voile est ensuite séché et compacté entre deux cylindres chauffés. Ce procédé permet l’utilisation d’une très large gamme de fibres (naturelles, synthétiques, régénérées ou minérales) mais se limite à une longueur maximale de fibre s de 30mm[39].
La Figure 1.7 décrit les étapes de formation d’un non -tissé en FCr comélées avec des fibres de polyamide 6 à l’échelle laboratoire. Ce procédé conduit à des non tissés plus homogènes et permet surtout la réalisation de produits nécessitant un très bon contrôle de l’orientation des fibres : des produits très orientés où les fibres sont quasiment parallèles au sens de fabrication ou au sens travers, et des produits aléatoires où les fibres sont orientées au hasard. Plusieurs travaux de recherche ont été menés sur les renforts non -tissés des matériaux composites en fibres de carbone vierges ou recyclées obtenus par voie papetière en utilisant des fibres de 6 mm de longueur [40 41].

Consolidation thermique

Cette méthode met à profit les propriétés de thermo-fixation de certaines fibres synthétiques pour créer l’adhésion des fibres entre elles [46]. Ces fibres synthétiques peuvent constituer le voile ou être introduites avec d’autres fibres dans le voile. La chaleur permettant la fixation thermique peut être apportée par un four à air chaud, une calandre chauffée, des cylindres sécheurs ou un système haute fréquence.

Anisotropie des non-tissés : méthodes de caractérisation

L’anisotropie est une caractéristique permettant de distinguer les non-tissés des autres textiles et qui dépend des méthodes d’entremêlement des fibres (fabrication et consolidation). Il est donc indispensable d’étudier l’effet de l’anisotropie sur les propriétés des non -tissés qui sont déterminées en fonction de plusieurs paramètres à savoir :
– les propriétés physiques des fibres (diamètre, section, fréquences, longueur, densité…).
– les propriétés mécaniques (Module, Résistance, Ténacité) et propriétés chimiques [39].
– le type de cohésion inter fibres.
– l’architecture et dimensions du non-tissé (variation dimensionnelle, grammage, stabilité, uniformité de l’épaisseur)
– la porosité [48].
– l’orientation des fibres.
L’orientation et l’alignement des fibres sont comptés parmi les paramètres qui conditionnent les propriétés mécaniques du non-tissé et celles du composite qui lui est associé.

Distribution et orientation des fibres dans un non-tissé

Dans une structure 2D l’orientation des fibres est mesurée par l’angle d’orientation d’une fibre par rapport à la direction de production (Figure 1.17). L’angle (α) peut être déterminé par photomicrographie de la structure ou directement par microscopie et analyse d’image.
Il existe plusieurs méthodes permettant la détermination de l’orientation des fibres dans une structure fibreuse. Elle peut être déterminée par le calcul du ratio de la rigidité dans le sens MD et CD selon la méthode décrite dans la norme [49] ou par l’utilisation de liquide [50] (Observation de la distribution de l’écoulement d’une goutte d’eau sur la surface d’une bande de non-tissé). D.Das et Al [51] ont développé une méthode qui consiste à utiliser des fibres traceuses colorées dontl’orientation est déterminée par une méthode optique d’analyse d’images.

Méthode d’alignement des fibres dans un non-tissé

Dans le but d’améliorer les propriétés mécaniques des non-tissés dans une direction privilégiée, des travaux de recherche réalisés au sein d’un laboratoire de recherche en Australie [54] ont permis de montrer qu’il existe une méthode d’alignement des fibres de lin dans un non-tissé permettant d’obtenir des composites (lin/polypropylène (40/60)) dont les propriétés mécaniques sont proches de celles des tissus et des UD (Figure 1.19).
Cette méthode consiste à faire passer des rubans de carde juxtaposés (produits à partir des voiles de carde lin /pp) sur un dispositif de peignage appelé « Intersecting gills » (Figure 1.20) permettant de peigner les fibres et de les orienter parfaitement dans la direction de production. La consolidation des nappes de fibres parfaitement orientées est assurée par deux techniques différentes : aiguilletage et calandrage à chaud (T<135°C). Le matériau composite est enfin obtenu par thermocompression de 6 nappes de 600 g/m², superposées en parallèle, à 190°C.
Les premiers résultats de la caractérisation du renfort sec présentés dans la Figure 1.21 montrent que l’orientation des fibres dans le nouveau non-tissé permet d’atteindre des propriétés très proches de celles d’un tissu unidirectionnel.

Procédés de filature

La filature permet de fabriquer un fil à partir de fibres (naturelles, artificielles ou synthétiques). Le fil s’appellera un « filé de fibres ». Le procédé général de filature des fibres naturelles, artificielles ou synthétiques [21] consiste à démêler, orienter et paralléliser les fibres pour arriver à un voile, que l’on regroupe sous la forme d’un ruban. Ce ruban sera transformé ensuite en mèche puis en fil par étirages successifs et mise en torsion. Ces étapes sont présentées dans la Figure 1.23.
Les opérations d’homogénéisation et de cardage ont le même objectif que celles dans la production des non-tissés. L’étirage permet de paralléliser et de régulariser les rubans de carde dans le but d’augmenter la cohésion des fibres. L’étape de peignage est une étape secondaire généralement appliquée pour les deux procédés : elle permet d’augmenter le degré de parallélisme et d’élimine r les fibres courtes. Ces étapes sont suivies par une étape d’affinage réalisée à l’aide d’un Banc à broches permettant d’appliquer une fausse torsion et de réduire le nombre de fibres à la section [42].
Toutefois, l’application d’une réelle torsion au fil est nécessaire pour donner une robustesse au faisceau de fibres. Celle-ci est assurée par passage des mèches sur un continu à filer dont la torsion est assurée par le mouvement de rotation d’un anneau. . Prédiction des propriétés mécaniques des composites à renforts textiles.
Les études de comportement mécanique des matériaux composites à renforts fibreux se concentrent principalement sur les structures les plus simples : unidirectionnelles continues ou aléatoires (isotropes). Ces études passent généralement par l’utilisation du concept d’ homogénéisation [62].
Ce concept permet de contourner les problèmes liés aux hétérogénéités dues à la présence de différents constituants disposés assez souvent de manière aléatoire. Il s’avère donc indispensabled’idéaliser le matériau en le considérant comme continu (homogène) et donc en moyennant sespropriétés à une certaine échelle fonction de la microstructure [63-64].
De nombreuses approches micromécaniques ont été développées pour prédire les propriétés mécaniques des matériaux composites et leur dépendance aux propriétés de leurs constituants et à leurs microstructures (Figure 1.28). Dans la plupart des cas, ces approches se réduisent uniquement au calcul du module d’élasticité en supposant une liaison parfaite fibre/matrice et un arrangement régulier des fibres continues ou parallèles [62].

Matériaux

Renforts

Il a été démontré dans le chapitre précèdent que la réutilisation de s fibres de carbone recyclées dépend du procédé de recyclage, de la longueur des fibres et de l’architecture des renforts récupérés.
À la sortie du réacteur de vapo-theromlyse, les fibres se présentent sous forme de bourre de fibres ou de renforts textiles (ex. Tissus) dont les longueurs dépendent essentiellement de la mise aux dimensions des pièces à recycler. Le choix s’est porté sur la remise en forme des fibres recyclées en renforts non-tissés comme première architecture permettant d’étudier l’influence de la variabilité des sources.

Constituants

Fibres de carbone vierges (FCv)

Afin d’être représentatif des fibres de carbone recyclées, le choix s’est porté sur trois types de fibre de carbone vierge : T300, T700 (Toray) et IM7 (Hexcel). Ces fibres ont été approvisionnées chez le fournisseur français APPLY.CARBON. Elles correspondent toutefois à trois générations de fibres utilisées dans l’aéronautique et qu’on retrouvera typiquement dans les déchets. La fibre T300 est utilisée dans les familles A320 et A330, la T700 dans la famille A380 et l’IM7 dans l’appareil A350. Les trois grades de fibres ont été choisis en fonction de leurs propriétés mécaniques. En effet, la T300 et la T700 sont des fibres haute résistance et la fibre IM7 est caractérisée, à la fois, par sa haute résistance et son module intermédiaire. L’ensemble des caractéristiques des fibres sont regroupées dans le Tableau 2.1.

Fibres de carbone recyclées (FCr)

Dans la deuxième partie de la thèse, des fibres T700, recyclées et vierges, ont été utilisées. La longueur de ces fibres varie de 60 à 80mm. Ces fibres ont été caractérisées et la comparaison de leurs propriétés sera présentée et détaillée dans le Chapitre 4.

Mise en forme des non-tissés

Deux types de non-tissés ont été fabriqués dans le cadre de cette thèse : des non-tissés 100% fibres de carbone (NT-100%FC) et des non-tissés comélés (NT-FC/Fibres thermoplastiques) de masses surfaciques moyennes respectives de 200g/m² et de 530g/m² (Tableau 2.2). Ces grammages ont été choisis en fonction du taux de fibres souhaité dans le composite final ainsi que des moyens de mise œuvre. Les dix non-tissés (NT-100%FCv) ont été fabriqués en se basant sur un plan d’expériences adapté aux objectifs de l’étude.

Matrice

La matrice thermoplastique de polyamide 6 (PA6) a été retenue pour être associée aux renforts nontissés. Le PA6 a été choisi pour ses bonnes propriétés mécaniques et son coût adapté à un contexte d’utilisation ultérieure dans le secteur automobile. Deux types de polyamide 6 ont été ut ilisés dans cette thèse. Le premier est sous forme de films plastiques fournis par RICHMOND AEROVAC. Le second est sous forme de fibres coupées fournies par EMS-GRILTECH. Leurs caractéristiques physiques et mécaniques, données par les fournisseurs, sont résumées dans les Tableaux 2.4 et 2.5.
Le PA6 présente de bonnes propriétés mécaniques et thermiques (jusqu’à sa température de fusion entre 218°C et 225°C). Il a la particularité d’absorber l’humidité contenue dans l’air ambiant (9,5% de reprise hydrique à 23°C et 50% d’humidité relative) [84]. L’eau absorbée peut alors provoquer un gonflement, une chute de la température de transition vitreuse et une plastification de la résine, entraînant ainsi une perte des propriétés mécaniques. Afin d’éviter ces problèmes, avant d’entamer la fabrication des composites, les films de polyamide ainsi que les non-tissés comélés ont été étuvés à 90°C pendant 24h.

Caractérisation de la microstructure des non-tissés

La microstructure des non-tissés a été étudiée par microscopie (à l’aide d’un Mic roscope Electronique à Balayage MEB) afin d’observer l’organisation et la distribution des fibres au sein du renfort. La distribution de l’orientation des fibres dans les non -tissés est l’un des paramètres qui influence significativement les propriétés structurales et mécaniques des non-tissés ainsi que les composites qui leurs sont associés. Afin d’étudier cette distribution, une méthode d’analyse d’images-2D a été développée (Voir Chapitre 1 et Chapitre 3). Les images correspondent aux observations sous MEB des non-tissés (vue de dessus : surface). Dix clichés MEB par non-tissé ont été alors analysés et leur distribution moyenne a été ensuite représentée

Table des matières
Remerciements 
Table des matières
Table des figures 
Liste des tableaux 
Introduction générale 
Chapitre 1 Etude bibliographique 
1. Généralités sur le recyclage des matériaux composites renforcés de fibres de carbone
1.1. Constituants des matériaux composites
1.1.1. Le renfort : fibres de carbone
1.1.2. La matrice
1.1.3. Interface fibre de carbone /matrice
1.2. Recyclage des composites à renforts carbone & matrices organiques
1.2.1. Recyclage mécanique par broyage
1.2.2. Recyclage chimique : solvolyse
1.2.3. Recyclage thermique
1.2.4. Recyclage par vapo-thermolyse
2. Valorisation des fibres de carbone recyclées
2.1. Valorisation en renforts non- tissés
2.1.1. Mise en œuvre des non-tissés par voie humide /papetière
2.1.2. Mise en œuvre des non-tissés par voie sèche
2.1.3. Procédés de consolidation
2.1.4. Anisotropie des non-tissés : méthodes de caractérisation
2.2. Valorisation des fibres de carbone recyclées en fils
2.2.1. Procédés de filature
2.2.2. Transformation des fibres de carbone recyclées en fils et composites
3. Prédiction des propriétés mécaniques des composites à renforts textiles
3.1. Prédiction du module d’élasticité des composites : lois des mélanges
3.1.1. Lois classiques
3.1.2. Modèles de COX et KRENCHEL
3.2. Comportement mécanique des composites à renforts aléatoires : les mats
3.3. Exemple de comparaison des différents modèles
4. Conclusion
Chapitre 2 Matériaux et techniques de caractérisation
1. Matériaux
1.1. Renforts
1.1.1. Constituants
1.1.2. Mise en forme des non-tissés
1.2. Matrice
2. Mise en œuvre des composites
2.1. Détermination des séquences d’empilement renfort/matrice
2.2. Mise en œuvre par thermocompression
3. Techniques de caractérisation
3.1. Méthodes de caractérisation des propriétés structurales
3.1.1. Méthodes de caractérisation des propriétés structurales des non-tissés
3.1.2. Méthodes de caractérisation des propriétés structurales des composites
3.2. Méthodes de caractérisation des propriétés mécaniques
3.2.1. Caractérisation des fibres de carbone en traction sur monofilament
3.2.2. Caractérisation des composites en traction uniaxiale
3.2.3. Caractérisation des composites en flexion 3-points
3.3. Plan de découpe des plaques
4. Conclusion
Chapitre 3 Etude de l’influence de la variabilité des propriétés des fibres de carbone sur les propriétés des composites à renforts non-tissés 
1. Caractérisation structurale des matériaux
1.1. Caractérisation des non-tissés
1.1.1. Détermination de la masse surfacique
1.1.2. Etude de la microstructure des non-tissés
1.1.3. Etude de la distribution de l’orientation des fibres dans les non-tissés
1.2. Caractérisation structurale des plaques composites
2. Comportement mécanique des composites à renforts non-tissés
2.1. Comportement en traction des composites à renforts non -tissés
2.1.1. Analyse des résultats
2.1.2. Propriétés mécaniques en traction
2.2. Comportement en flexion 3-points des composites à renforts non-tissés
2.2.1. Analyse des résultats
2.2.2. Propriétés mécaniques en flexion 3-points
3. Influence de la variation des propriétés des fibres : analyses statistiques
3.1. Analyse en composantes principales (ACP)
3.1.1. Méthodologie
3.1.2. Résultats
3.2. Régression linéaire multiple
3.2.1. Méthodologie
3.2.2. Résultats de régression
4. Détermination du module d’élasticité des composites à renforts nontissés par analogie avec la théorie des stratifiés
4.1. Démarche
4.1.1. Détermination des séquences d’empilement
4.1.2. Détermination des propriétés élastiques des plis
4.1.3. Détermination de la matrice de rigidité
4.2. Comparaison des résultats
5. Conclusion
Chapitre 4 Effet du recyclage et de la mise en forme des fibres de carbone sur les propriétés mécaniques des composites 2.0 
1. Caractérisation des fibres de carbone recyclées
1.1. Traitement thermique des fibres de carbone
1.1.1. Analyses thermogravimétriques
1.1.2. Observations MEB des fibres avant et après traitement thermique
1.2. Caractérisation mécanique des fibres de carbo ne recyclées en traction sur monofilament
2. Caractérisation structurale des composites à renforts non-tissés
2.1. Caractérisation structurale des non-tissés
2.1.1. Evaluation de l’homogénéité des non-tissés
2.1.2. Etude de la microstructure des non-tissés
2.2. Caractérisation structurale des plaques composites
3. Comportement mécanique des composites
3.1. Comportement mécanique en traction uniaxiale
3.1.1. Analyse des résultats
3.1.2. Comparaison des propriétés mécaniques en traction des composites
3.2. Comportement mécanique flexion 3- points
3.2.1. Analyse des résultats
3.2.2. Propriétés mécaniques en flexion 3-points des composites
4. Mise en évidence de l’influence de l’orientation des fibres dans le renfort sur les propriétés des composites
5. Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Annexe I Caractérisation des fibres en traction sur monofilaments
Annexe II Résultats de caractérisation des composites C1-C10
Annexe III Résultats de caractérisation des composites FCv/r-200, FCv/r-530
Bibliographie 
Résumé et abstract 

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