Les plastiques thermodurcissables

Les thermodurcissables

Les thermodurcissables sont des plastiques à base de polymères qm, ayant subi une réaction chimique (amorcée par la chaleur, par les catalyseurs ou par la lumière UV), se transforment en un produit relativement infusible et insoluble. Il se trouve à l’état réticulé. Ces polymères se comportent donc comme le béton: après la réticulation, on ne peut plus les fondre ou les mouler à nouveau. Les plastiques thermodurcissables typiques sont les phénoliques, les polyuréthanes, les mélamines, les urées formaldéhydes (urée-formols) et ceux à base de résines époxydes.

Les colles, ou polymères thermodurcissables, sont largement utilisés pour le collage du bois ou dans les composites à base de bois, en particulier ceux à base de fibres cellulosiques (Koubaa, 2005). Les thermodurcissables sont utilisés du bois comme adhésifs pour le bois et les fibres de bois. Les adhésifs (résines) les plus couramment employées par l’industrie des panneaux de bois sont l’urée formaldéhyde (UF) (Xing, 2003), le phénol formaldéhyde (PF) et les colles isocyanates (Rosthauser et al., 1997).

L’adhésion résine- bois est très importante pour améliorer la qualité des produits finis. Les bois les plus difficiles à coller sont les bois riches en résines, gommes ou matières huileuses (pin maritime, teck). D’autre part, la teneur en humidité du bois a des effets sur l’adhésion puisqu’un excès d’eau dans le bois risque de diluer la résine. D’autre part, un manque d’humidité peut provoquer une prise trop rapide (Xing, 2003). Le tableau 2.2 montre les principales caractéristiques des résines thermodurcissables. Dans l’industrie du bois, les panneaux sont traditionnellement fabriqués à partir de l ‘urée formaldéhyde (UF) qui est à bon marché et son traitement de surface est plus rapide par rapport à d’autres résines. Les inconvénients de l’utilisation de cette résine pour les panneaux incluant ceux de moyenne densité (MDF) sont les émissions du formaldéhyde et la faible durabilité dans les conditions environnementales humides qui causent la dégradation des liaisons adhésives formées par la résine (Park et al., 2001). C’est pourquoi les panneaux MDF encollés avec cette résine sont limités à des applications intérieures.

La résine phénol formaldéhyde (PF) est connue comme étant un adhésif à usage structural et extérieur. Elle est moins utilisée que la résine UF dans l’industrie du MDF car elle est plus conteuse et son degré de prise est plus lent (Riedl, 2007).

Influence de la nature et la quantité des constituants La charge ou le renfort d’un matériau composite est une substance relativement inerte ajoutée à certains plastiques en proportion variant de 5 à 60%, en vue d’améliorer ses caractéristiques, par exemple la dureté, la résistance à l’abrasion, la résistance aux chocs, la résistance aux solvants ou d’en modifier les caractéristiques électriques. Certains renforts sont ajoutés aux plastiques surtout dans le but d’en réduire le coût de revient. L’un des facteurs les plus significatifs pour les propriétés mécaniques des composites est le contenu en renfort.

D’une façon générale, lorsqu’on augmente le pourcentage de renforts (fibres de bois), les propriétés mécaniques et physiques sont améliorées. Dans l’étude de Julson et al. (2004), les modules d’élasticité (MOE) et de rupture (MOR) en flexion et en traction augmentent en passant de 20% à 30% de contenu en fibres. Par exemple, les MOE en flexion passent de 753 MPa à 1037 MPa pour les composites à base de polyéthylène et de fibres de bois de 40 mesh (Tableau 2.4). Ceci peut être expliqué par l’augmentation de la fraction volumique des fibres se caractérisant par un module d’élasticité élevé. D’un autre côté, d’après la même étude, il a été montré que les particules ou les fibres de faibles dimensions peuvent être considérées comme charges et améliorent ainsi la résistance en traction surtout pour les composites à base de polypropylène et de fibres de bois (voir Tableau 2.5).

part, à de très hautes teneurs en fibres, la rigidité des composites commence à diminuer en raison de la grande variation de concentration, ce qm engendre une différence de répartition des contraintes (Bibo, 1996). Depuis plusieurs décennies, il existe des matériaux contenant jusqu’à 95% de bois et qui ont de bonnes performances comme le cas des matelas consolidés (Bledzki et al., 1998a). L’augmentation de la proportion de fibres li guo-cellulosiques a auss pour conséquence directe la multiplication des problèmes liés à l’usage d’un matériau biologique hygroscopique et putrescible. Les propriétés d’élongation, la résistance à l’impact sont diminuées par l’accroissement de la quantité de bois (Bledzki et al., 1998a).

D’autre part, la proportion de plastique joue aussi un rôle au même titre que la proportion de bois, ces quantités étant toutefois complémentaires. En effet, les propriétés de chaque polymère sont variables, et par conséquent la matrice n’apporte pas les mêmes performances, qu’il s’agisse de polyéthylène haute densité, basse densité, de polypropylène rigide ou souple ou de PVC, etc ..

Le tableau 2.6 adapté de Bledzki et al. (1998a) donne une idée des variations des propriétés mécaniques dues à la matrice. Les problèmes liés à l’humidité sont améliorés grâce au thermoplastique et par conséquent on assiste à une augmentation des propriétés mécaniques du composite sous conditions humides. Les résultats de la même étude montrent bien cette tendance. La comparaison que les auteurs ont effectuée avec le MDF est très intéressante.

En effet, la résistance à la flexion après 28 jours dans l’eau est réduite de 95% pour le MDF alors que les CBP n’ont subi qu’une baisse de 8 à 35% pour ceux à base de polypropylène et de PVC, respectivement. Le choix du polymère est important car il influe aussi sur les modifications d’interface. Plusieurs essais sur les propriétés mécaniques des polymères v1erges et mélangées avec de la fibre de bois ont été réalisés en changeant les proportions du thermoplastique (Mehrabzedah et al., 2000; Julson et al., 2004; Stark, 1999). D’autres classes de composites ont été conçues avec des matières recyclées qu’on développera dans les sections suivantes.

Influence de l’humidité et de la température

L’humidité est un paramètre important pour les fibres de bois utilisées comme renforts dans les composites à base de bois. Ces fibres présentent un caractère hydrophile et subissent ainsi des déformations importantes lorsqu’elles se trouvent dans un atmosphère humide. Ceci a plusieurs effets sur l’adhésion ainsi que sur les caractéristiques mécaniques et physiques du produit. Cet inconvénient joue donc un rôle sur leur emploi ultérieur. De plus, le gonflement, la résistance à l’eau ou au feu sont fortement dépendants du renfort (Takatanil et al., 2000). Dans la littérature, on retrouve deux résultats contradictoires. En général, l’absorption d’humidité provoque la diminution des propriétés mécaniques d’un matériau à base d’une matrice thermoplastique consolidée par des fibres naturelles.

L’humidité peut aussi migrer le long de l’interface fibre-matrice et influence l’adhésion entre ces dernières causant ainsi la perte de rigidité et parfois la dégradation des fibres. L’absorption d’eau des composites formés par du polypropylène et des fibres naturelles a été examinée par Espert et al. (2004). Il a été montré qu’il y a diminution des propriétés mécaniques notamment le module d’Young et le module de rupture sous conditions humides. De plus, Balatinecz et Park (1997) ont étudié les effets de l’humidité sur les propriétés mécaniques des CBP et ont constaté que l’absorption d’eau cause la diminution de la résistance à la traction et en flexion avec une augmentation de la résistance aux chocs. Stark et al. (2003) ont examiné l’influence des différents taux d’humidité relative (30%, 56% et 90%) sur les propriétés mécaniques (résistance en traction, résistance en flexion et résistance d’impact) des composites fabriqués à partir de PP avec 20% et 40% de farine de bois.

Il a été conclu que l’augmentation du contenu en bois favorise l’absorption d’humidité et pourrait causer plus de diminution des propriétés mécaniques. Ce résultat est confirmé par celui de Lin et al. (2002) qui ont examiné l’influence de l’absorption de l’humidité sur les propriétés mécaniques des composites formés par des fibres de bois et du PP.

Cependant, dans certains cas, l ‘eau peut agir comme un plastifiant lorsqu’elle est absorbée par une matrice thermoplastique consolidée par des fibres naturelles. D’après l’étude de Karmaker et al. (1994), le gonflement des composites fabriqués avec du polypropylène et de fibre de jute a des effets positifs sur les propriétés mécaniques. Donc, l’amélioration de l’interface fibre – matrice peut améliorer la résistance à l’eau des composites. Selon Stark (1999), les composites bois- plastiques conçus par différents procédés de fabrication absorbent moins l’humidité et moins rapidement que le bois massif (Figure 2.4). Ils ont une meilleure résistance à la pourriture et aux attaques de champignons. En comparaison avec les panneaux de bois tels que les panneaux de MDF, les composites présentent un meilleur comportement hygroscopique (Bledzki et al., 1998a). D’après la figure 2.4, les composites fabriqués par injection ont une meilleure stabilité dimensionnelle que ceux extrudés (Stark ,1999).

La solution la plus courante pour stabiliser les matériaux à base de bois est le traitement chimique et thermique des fibres. Pour les composites avec un contenu élevé en fibres de bois, certains fabricants incorporent des additifs pour diminuer les effets de l’humidité. D’une façon générale, il y a une différence notable entre les 20 fibres traitées et non traitées. D’après Garcia et al. (2005), les fibres de bois traitées avec le polypropylène maléaté (MAPP) peuvent changer les caractéristiques du panneau à base de bois en particulier le MDF. En effet, la comparaison de l’absorption d’eau par capillarité a montré que les panneaux MDF produits par des fibres traitées absorbent moins d’humidité que les fibres non traitées et ceci pour toutes les teneurs en MAPP.

Table des matières

RÉSUMÉ
REMERCIEMENTS
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES SYMBOLES
LISTE DES ACRONYMES
TABLE DES MATIÉRES
CHAPITRE I INTRODUCTION
CHAPITRE II ÉTAT DE CONNAISSANCE
2.1. MATIÈRE PREMIÈRE
2.1.1 Les fibres du bois
2.1.2 Les polymères synthétiques
2.1.3 Les adjuvants
2.2. LES TECHNIQUES DE FABRICATION DES COMPOSITES
2.2.1 L « extrusion
2. 2. 2 La compression
2.2.3 L »injection
2.2.4 L »imprégnation
2. 2. 5 La thermo consolidation
2.3. INFLUENCE DES CARACTÉRISTIQUES DES CONSTITUANTS SUR LES PROPRIÉTÉS DU COMPOSITE
2. 3.1 Généralités sur les composites bois-plastiques
2.3.2 Influence de la nature et la quantité des constituants
2.3.3 Influence de la morphologie des fibres
2. 3. 4 Influence de humidité et de la température
2.3.5 Effets de la dispersion et orientation des fibres
2.4. LES COMPOSITES À BASE DE MATIÈRES RECYCLÉES
2.4.1 Recyclage et situation actuelle
2.4.2 Récupération et valorisation des résidus du bois
2.4.3 Industrie des panneaux de fibres de moyenne densité (JvfDF)
2.4.4 Propriétés des composites à base de matières recyclées
2.5. OBJECTIFS ET HYPOTHÈSES DE LA RECHERCHE
CHAPITRE III MATÉRIEL ET MÉTHODES
3.1. MATÈRIEL
3.1.1 Caractéristiques des fibres
3.1.1.1 Propriétés anatomiques (FQA)
3.1.1.2 Analyse TGA
3.1.2 Caractéristiques du thermoplastique
3.2. MÈTHODES
3.2.1 Préparation de la matière première
3.2.2 Mises en granules
3.2.3 Élaboration des composites bois plastiques
3.2.4 Caractérisation des composites bois-plastiques
3.2.4.1 Échantillonnage et conditionnement
3.2.4.2 Propriétés physiques
3.2.4.3 Propriétés mécaniques
3.3. ANALYSE STATISTIQUE DES DONNÉES
3.4. MODÉLISATION (THÉORIE ET MODÈLES)
CHAPITRE IV RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
4.1. RÈSULTATS
4.1.1 Propriétés physiques
4.1.2 Propriétés mécaniques
4.1. 3 Analyses de variance
4.2. DISCUSSIONS
4.2.1 Variation de la stabilité dimensionnelle des CPB en fonction du type et de la proportion des fibres et du temps d »immersion
4.2.2 Variation de la stabilité dimensionnelle des CPB en fonction du procédé de formation
4.2.3 Variation de densité des CPB en fonction du type. de la proportion des fibres
4.2.4 Variation des propriétés mécaniques des CPB en fonction du type et de la proportion des fibres
4. 2. 5 Variation des propriétés en flexion en fonction de la teneur en humidité des CBP
4.2.6 Modélisation de absorption d »eau en fonction du temps d »immersion.
CONCLUSION
LISTE DES RÉFÉRENCES
ANNEXE A QUELQUES RÉSULTATS
ANNEXE B ESTIMATION DES PARAMÉTRES DE DIFFUSION ET DES COURBES HYGROSCOPIQUES SUIVANT LE MODÉLE 1 (MATLAB)
ANNEXE C ESTIMATION DES PARAMÉTRES DE DIFFUSION ET DES COURBES
HYGROSCOPIQUES SUIVANT LE MODÉLE 2 (MATLAB)

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