Soutenance mémoire
Les bio-composites, les composites bio-sourcés ainsi que les autres matériaux biodégradables ou à base de produits naturels sont aujourd’hui en pleine expansion ce qui se ressent largement dans la littérature scientifique. Pour autant, les composites à matrices polymères et renforts fibreux « traditionnels » ont encore un certain avenir devant eux dans la mesure où leurs propriétés sont encore largement supérieures à celles des matériaux cités plus haut. Ils sont donc toujours abondamment utilisés dans de nombreuses applications, et en particulier en extérieur où l’agressivité de l’environnement peut être assez sévère (UV, température, humidité, pollution…). Ceci est particulièrement le cas dans les régions tropicales comme en Asie du Sud Est où certaines applications de matériaux en extérieur peuvent faire appel aux composites. Au Vietnam par exemple, les secteurs du bâtiment ou des travaux publics en pleine expansion, utilisent ces matériaux composites pour des applications extérieures.
La question de la durabilité des composites à matrice polymère et renforts fibreux se pose donc toujours et, force est de constater que ce sujet reste un sujet majeur. D’abord parce que d’un point de vue applicatif et macroscopique, le dimensionnement des structures ou des fonctions, quelles qu’elles soient, doit prendre en considération l’évolution des propriétés avec le temps et l’environnement. Ensuite, parce que malgré de très nombreuses études sur le vieillissement artificiel et/ou accéléré des matériaux composites, les corrélations avec le comportement en ambiance naturelle sont toujours difficiles et les prédictions de durée de vie restent très aléatoires. Enfin, d’un point de vue plus micro(nano)scopique on sait que les faiblesses majeures des composites se situent dans leurs interphases. En effet, les zones à la périphérie des fibres (monofilaments) constituent des régions où le réseau macromoléculaire présente une microstructure et des propriétés différentes de celles de la masse du fait de la proximité des fibres, mais aussi du fait du traitement de surface de celles-ci. Dans le cas particulier du vieillissement en ambiance humide, l’accumulation des molécules d’eau dans ces zones est très souvent à l’origine des défaillances.
Composites époxy – fibres de verre
Un matériau composite peut être défini d’une manière générale comme l’assemblage de deux ou plusieurs matériaux, l’assemblage final ayant des propriétés supérieures aux propriétés de chacun des matériaux constitutifs [1]. La plupart du temps, les composites sont constitués de deux matériaux principaux, une matrice qui présente des propriétés intéressantes mais dont certaines ont besoin d’être améliorées par un renfort. De nos jours, les matériaux composites sont présents dans tous les secteurs de technologie avancée tels que la construction navale [2, 3], l’automobile ou encore l’aéronautique [4, 5]. Dans la structure d’un composite chacun des constituants a une fonction bien spécifique :
– La matrice lie les fibres aux renforts, répartit les efforts (résistance à la compression ou à la flexion), assure la protection chimique des renforts. Bien que les propriétés mécaniques de la matrice soient très faibles devant celles des renforts, les performances générales du composite (matrice/renfort) sont très dépendantes du choix de la matrice. Le rôle de la matrice devient très important pour la tenue mécanique à long terme (fatigue, fluage) [6]. Deux grandes familles de matrices en résines polymère sont déjà largement connues: les résines thermoplastiques (TP) et les résines thermodurcissables (TD).
– Le renfort est une armature, un squelette, qui assure la tenue mécanique (résistance à la traction et rigidité). Il est souvent de nature filamentaire (des fibres organiques ou inorganiques).
En plus de ces deux constituants de base, il faut rajouter une zone de contact qui est, suivant l’échelle considérée, interface (bidimensionnelle) ou interphase (tridimensionnelle). Cette zone qui assure la compatibilité renfort-matrice, transmet les contraintes de l’un à l’autre sans déplacement relatif.
Nous nous intéressons dans notre étude aux matériaux composites plus « modèles » à base de résine thermodurcissable de type époxyde/amine renforcée de fibres de verre. Nous détaillons dans cette partie les caractéristiques des différents constituants: matrice époxy-amine, fibres de verre renforcées et interphase entre matrice et fibres.
Taux de conversion
L’un des paramètres les plus utilisés pour étudier la cinétique de réaction d’une résine thermodurcissable est le taux de conversion (ou taux de réticulation) noté α. L’objectif est d’atteindre en fin de cuisson un taux de conversion le plus proche possible de 1, c’est à dire tel que tous les monomères présents initialement dans la résine aient tous réagi. De nombreuses études [12, 18, 24, 50-52] à la fois théoriques et expérimentales ont été réalisées dans le but de déterminer la variation de taux conversion pour des systèmes différents. En principe, toutes les méthodes d’analyse quantitative telles que le dosage chimique, les méthodes chromatographiques, la spectroscopie RMN, la spectroscopie infrarouge, etc… peuvent être utilisées pour quantifier l’évolution de la concentration en groupements époxy et amine au cours de la réticulation. On distingue trois approches expérimentales différentes pour suivre le taux de conversion d’une résine thermodurcissable :
– La détermination directe de la concentration des groupes réactifs présents dans le milieu par voie chimique (dosage chimique) ou par des techniques chromatographies, ou spectroscopiques.
– L’estimation indirecte de l’avancement de la réaction chimique par mesures thermiques (DSC…).
– La mesure des évolutions des propriétés physiques, mécaniques, électriques… du polymère (Tg, E, G…).
Ensimage
L’ensimage a différents rôles comme d’empêcher la rupture et l’abrasion du filament de verre pendant son élaboration, ainsi que d’assurer la cohésion des filaments. Il permet d’améliorer l’imprégnation des filaments par la résine lors de la mise en œuvre de matériaux composites et assure la compatibilité entre le verre et la matrice pour obtenir les meilleures performances du composite (tenue mécanique, à l’eau, en température…).
L’ensimage est une mixture complexe et sa composition chimique est propre à chaque fabricant et maintenue secrète. En général, elle est constituée de trois composants principaux suivants [57-59]: les agents filmogènes, les agents couplants et les agents auxiliaires. De nombreuses études ont été réalisées [60-65] pour déterminer les agents employés et leurs proportions dans un ensimage. Gorrowa et al. [66] ont donné les proportions relatives de chaque constituant d’un ensimage type pour des fibres de verre utilisées avec des résines thermodurcissables . On note que l’agent filmogène et l’agent couplant sont les deux constituants principaux de l’ensimage.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1. ÉTUDE BIBLIOGRAPHIE
1.1. Composites époxy – fibres de verre
1.2. Effet du vieillissement hygrothermique sur les systèmes époxyamine/fibre de verre
1.3. Vieillissement par photo-oxydation des résines époxy
Références bibliographiques du chapitre 1
CHAPITRE 2. MATÉRIAUX ET TECHNIQUES D’ANALYSE
2.1. Présentation du matériau
2.2. Présentation des techniques expérimentales
2.3. Mise en œuvre des vieillissements artificiels et naturel
2.4. Conclusion
Références bibliographiques du chapitre 2
CHAPITRE 3. MORPHOLOGIE ET STRUCTURE DU RESEAU EPOXYAMINE AVANT VIEILLISSEMENT
3.1. Etat initial de la résine seule
3.2. Le réseau époxy amine dans le composite à l’état initial : mise en évidence des interphases.
3.3. Conclusion
Références bibliographiques du chapitre 3
CHAPITRE 4. EFFET DU VIEILLISSEMENT UV SUR LA RESINE ET SUR LE COMPOSITE
4.1. Effet du vieillissement UV sur la résine
4.2. Effet du vieillissement UV sur le composite
Références bibliographiques du chapitre 4
CHAPITRE 5. VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE
5.1. Comportement au vieillissement hygrothermique de la résine seule
5.2. Effet du vieillissement hygrothermique sur le composite
Références bibliographiques du chapitre 5
CHAPITRE 6. VIEILLISSEMENT NATUREL & SYNTHÈSE DES EFFETS DU VIEILLISSEMENT
6.1. Généralités sur le vieillissement naturel
6.2. Effet du vieillissement naturel sur la résine
6.3. Effet du vieillissement naturel sur le composite
Références bibliographiques du chapitre 6
CONCLUSIONS & PERSPECTIVES
Références bibliographiques
ANNEXES
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