Soutenance mémoire
TECHNIQUES D’ÉLABORATION DES BC PLASTIQUE-BOIS
L’élaboration des matériaux thermoplastiques-bois représente une étape cruciale dans le processus de développement du nouveau matériau. L’inconvénient majeur est en fait l’incompatibilité des deux phases. Les thermoplastiques et les fibres naturelles possèdent des propriétés chimiques de surface différentes. Les fibres naturelles sont composées de matériaux hydrophiles polaires, qui réagissent fortement avec l’eau, alors que les polymères sont des hydrophobes généralement peu polaire qui ont une faible réactivité à l’eau. Cette différence entre les propriétés de surface des deux phases aboutit à un produit aux propriétés mécaniques non satisfaisantes, ce qui a pour effet de limiter les possibilités d’application industrielle. Pour contourner ce problème et améliorer l’affinité chimique entre les propriétés de la fibre et celles de la matrice polymère, on recourt à des modifications chimiques ou physiques de la surface des fibres ou de la matrice. On peut aussi utiliser un agent couplant qui joue le rôle de pont entre la fonction hydroxyle de la fibre et la liaison hydrogène du polymère (Georgopoulos et al., 2005). D’autres techniques peuvent être utilisées pour modifier les propriétés des fibres ou de la matrice polymérique afin d’améliorer la réactivité des deux phases. On cite par exemple (i) le traitement physique (ii) le traitement chimique (iii) le traitement alcalin et (iv) le traitement enzymatique
MÉTHODES PHYSIQUES
Les méthodes de traitement physique consistent à modifier la structure et les propriétés physiques de surface des fibres naturelles et du polymère afin de favoriser une bonne adhésion à l’interface fibres-chaines polymère. En fait, ce changement à la surface des fibres se manifeste souvent par un changement d’énergie de surface des fibres cellulosiques (augmentation de l’énergie de surface) de manière à accroitre le degré de lien entre les deux éléments (fibres et polymère). L’adhésion dans ce cas est loin d’être chimique, mais plutôt mécanique. Les chaines macromoléculaires du polymère et les fibres cellulosiques se croisent les unes contre les autres. Parmi les techniques physiques les plus utilisées pour modifier les propriétés des fibres naturelles ou de la matrice polymérique, on cite le traitement Corona et le traitement Plasma. Ces techniques consistent à modifier l’énergie de surface à l’aide d’un rayonnement radiatif dans un milieu à gaz sois à faible pression ou à haute pression. Plusieurs chercheurs (Martin et al., 2000; Ragoubi et al., 2010; Faruk et al, 2012) ont démontré que le polypropylène renforcé de fibres de chanvre traitées avec la méthode Corona permet d’améliorer considérablement la résistance mécanique du composite. En fait, l’observation microscopique des échantillons soumis à des tests de traction montre des fibres de chanvre fracturées (sans avoir glissé dans la matrice). Cela mène les auteurs à confirmer que les fibres adhérant fortement aux chaines moléculaires du polymère.
Le traitement au plasma est un autre procédé qui ressemble beaucoup au traitement Corona. Les paramètres du procédé plasma (puissance du plasma, gaz, température du gaz, etc.) sont ajustés afin d’induire les changements énergétiques désirés sur la surface du matériau. Diverses modifications de surface peuvent-être réalisées en fonction du type et de la nature du gaz utilisé. Le procédé permet de produire des radicaux libres réactifs et des groupes fonctionnels à la surface des fibres ou de la matrice, ce qui entraîne un changement d’état d’énergie à la surface, de manière à favoriser l’adhésion entre les deux phases (chevauchement et enchevêtrement entre les fibres et les chaines macromoléculaires du polymère).
Les travaux de Martin (Martin et al., 2000) sont fondés sur des échantillons à base de PEHD renforcés de fibres de sisal. Les fibres ont été traitées avec la méthode plasma. L’expérience a montré que les propriétés mécaniques des composites obtenus sont considérablement améliorées. Dans le but d’identifier les paramètres optimaux du procédé, les travaux de Seki (Seki et al., 2009) portent sur les propriétés mécaniques de biocomposites à base de PEHD renforcé de fibres de jute traitées, lorsque l’on fait varier la puissance du procédé plasma entre 30 et 60 Watt. Il est apparu que la résistance mécanique au cisaillement interlaminaire du composite (fibre de jute /PEHD) a augmenté d’environ 32% et de 47% par rapport aux composites non traités. Les auteurs ont conclu que l’exposition des fibres à un plasma d’oxygène de puissance 60 Watts pendant 15 minutes s’est avérée efficace, car elle a permis une meilleure résistance mécanique des composites attribuée principalement à une bonne adhérence à l’interface entre les fibres de jute et le HDPE.
MÉTHODES CHIMIQUES
Dans ce cas, les liaisons sont de nature chimique, contrairement au traitement physique, où les liaisons sont de nature mécanique (chevauchement et enchevêtrement). En fait, les fibres de cellulose, hydrophiles, possèdent des fonctions hydroxyles polarisées, tandis que les polymères sont hydrophobes, et non polaires. Dans de nombreux cas, il est possible d’introduire un troisième matériau ayant des propriétés intermédiaires, et ce, afin d’améliorer la compatibilité des deux matériaux. Il existe plusieurs mécanismes de couplage des matériaux (copolymérisation par greffage, traitement avec des composés contenant des groupes méthanols, traitement avec des isocyanates, organosilanes, etc.) Des revues exhaustives des agents de couplage utilisés dans la fabrication des composites bois plastiques ont été réalisées (Grüneberg, 2009; Hristov et al., 2007; Kaddami et al., 2006).
TRAITEMENT ALCALIN
Le traitement alcalin consiste à éliminer la lignine et les substances cireuses qui recouvrent la surface externe de la paroi cellulaire des fibres. Cela entraîne une rupture des liaisons hydrogène dans la structure du réseau des fibres, ce qui augmente la tension et la rugosité de leurs surfaces. Bisanda (Bisanda, 2000) a montré l’effet du traitement alcalin sur les fibres de sisal utilisées pour renforcer une matrice d’époxy. Les fibres imprégnées dans une solution 0,5 N d’hydroxyde de sodium ont permis de produire un composite (sisal-époxy) qui a une densité volumique élevée avec un taux de porosité très faible. Il a été également découvert que les composites obtenus ont une meilleure résistance mécanique en compression et une grande résistance à l’absorption de l’eau .
TRAITEMENT ENZYMATIQUE
Cette technologie est de plus en plus utilisée pour le traitement des fibres naturelles. Son aspect positif sur l’environnement la rend souvent privilégiée. Les réactions catalytiques de ce procédé sont très spécifiques et comportent des performances bien ciblées. Ces catalyseurs naturels fabriqués par des micro-organismes sont capables d’accélérer les réactions chimiques à de très faibles concentrations et à des températures proches de la température ambiante. Amylase, cellulase, protéase, catalase sont des classes d’enzymes qui sont souvent utilisés dans la biodégradation de la cellulose. Les travaux de Bledzki (Bledzki et al 2010) portent sur des composites à base de polypropylène renforcé de fibres d’abaca traités avec des substances enzymatiques. Les auteurs ont constaté que le traitement enzymatique permet d’éliminer tous les liants qui sont généralement observés à la surface de fibres non traitées comme les cires, la lignine, etc. Il a été également mentionné qu’une fibrillation et un endommagement des fibres traitées ont été observés.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE1
REVUE DE LA LITTÉRATURE SUR LES COMPOSITES À BASE DE PLASTIQUE
1.1 INTRODUCTION
1.1.2 Renforts minéraux Thermoplastiques
1.1.3 Renforts minéraux-thermodurcissables
1.1.4 Fibres végétales- Thermodurcissables
1.1.5 Fibres végétales-Thermoplastiques
1.2 Techniques d’élaboration des bc plastique-bois
1.2.1 Méthodes physiques
1.2.2 Méthodes chimiques
1.2.3 Traitement alcalin
1.2.4 Traitement enzymatique
1.2.5 conclusion
1.3 Techniques de caractérisation des BC plastique-bois
1.4 Comportement des thermoplastiques à l’état non fondu
1.4.1 Comportement élastique (Hooke)
1.4.2 Comportement hyper-élastique (Money-Rivlin, Ogden)
1.4.2.1 Modèle Mooney-Rivlin
1.4.2.2 Modèle Ogden
1.4.3 Comportement viscoélastique (Lodge, Christensen, K-BKZ, CBT)
1.4.4 Comportement viscoélastoplastique
1.5 Techniques expérimentales de caractérisation des thermo-plastiques et des composites thermoplastiques
1.6 Techniques d’identification des constantes matérielles
1.6.1 Moindres carrés
1.6.2 Réseaux de neurones
1.7 Techniques de mise en forme des Thermoplastiques creux
1.7.1 Extrusion soufflage
1.7.2 Injection –étirement soufflage
1.7.3 Thermoformage
1.8 Mise en forme des composites thermoplastiques
1.9 Modélisation et simulation numérique des procédés de mise en forme par soufflage des thermoplastiques
CHAPITRE 2
ÉLABORATION ET CARACTÉRISATION RHÉOLOGIQUE ET THERMOPHYSIQUE DES COMPOSITES HDPE-BOIS
2.1 INTRODUCTION
2.2 MATÉRIELS ET MÉTHODES
2.2.1 Matériels
2.2.2 Méthodes
2.2.2.1 Préparation des biocomposites
2.2.2.2 Analyse thermogravimétrique des composites plastiques-bois (TGA Tests)
2.2.2.3 Identification de la zone linéaire de déformation
2.2.2.4 Caractérisation des propriétés des biocomposites en fonction de la teneur en particules de bois et de la température
2.3 RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
2.3.1 Caractérisation des propriétés rhéologiques en fonction de la concentration en particules de bois
2.3.2 Effet de la température sur les propriétés rhéologiques
2.3.3 Analyse dynamique thermorhéologique des composites HDPE-bois
2.3.4 Modélisation de l’effet de la température sur les propriétés viscoélastiques des composites
2.3.5 Propriétés thermophysiques des composites HDPE-sciures de bois
2.3.5.1 Capacité calorifique spécifique
2.3.5.2 Taux de cristallinité des composites en fonction de la teneur en bois
2.3.5.3 Volume spécifique des composites HDPE-sciures de bois
CONCLUSION
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