Cet article fait référence à la deuxième partie du chapitre 2 du mémoire de Nathan MPIANA KIBWELA réalisé durant son Master Ingénieur Civil en Chimie Industrielle (2021/2022)
Titre du mémoire : Étude comparative des propriétés mécaniques d’un matériau composite à matrice polymérique renforcé par les fibres végétales de bambou et de palmier dattier
Sommaire
Technologies de mise en œuvre des matériaux composites
Pour mettre en forme les matériaux composites, différentes méthodes de formulation peuvent être utilisées. Ces opérations vont permettre l’assemblage des différentes phases, afin d’obtenir un matériau le plus homogène possible.
Lors de l’élaboration des matériaux composites à base de fibres de cellulose, la faible dispersion des fibres au sein de la matrice ne permet pas l’obtention de matériaux parfaitement homogènes (Sengupta et al., 2007).
Le choix de la voie de formulation et des conditions opératoires aura donc un impact direct sur les propriétés mécaniques du composite élaboré.
Toutefois, chaque procédé possède ses propres limites pour contrôler et maintenir l’orientation des renforts. Le choix du procédé de mise en œuvre est généralement dicté par :
- La matrice utilisée, de la longueur des fibres, des propriétés du matériau composite souhaitées et de la série et cadence de fabrication ;
- Le volume de production ;
- Les coûts d’investissement et de production par pièce ;
- Le temps nécessaire de production d’une pièce finie ;
- L’état de surface final ;
- La facilité de réparation ;
- La qualité du matériau et ses performances ;
- L’impact sur l’environnement ; ✓ Le recyclage des pièces.
La figure 13 présente les méthodes d’élaboration des matériaux composites les plus utilisées, classifiées selon la nature de la matrice (thermoplastique ou thermodurcissable).
Avec matrice thermoplastique
Les polymères thermoplastiques sont des macromolécules linéaires plus ou moins ramifiées, non réticulées, qui se ramollissent par chauffage et durcissent par refroidissement sans réactions chimiques, ce qui permet de les recycler. A l’état solide, elles se présentent généralement sous forme de poudre ou de granulés. En chauffant, les thermoplastiques prennent une forme liquide visqueuse, facilitant ainsi leur mise en œuvre par :
Moulage par injection
Le moulage par injection est un procédé pour grande série. Il consiste à transformer des granulés de résine thermoplastique chargés de fibres courtes en un produit fini tout en suivant ces principales étapes :
- La plastification de la résine chargée des fibres par l’intermédiaire d’une vis d’Archimède,
- L’injection sous haute pression du mélange chauffé dans un moule chauffé,
- Et le refroidissement et le maintien de la fermeture du moule, avant éjection afin de favoriser la consolidation de la pièce. La figure 14 présente le moulage par injection d’un composite à matrice thermoplastique
Extrusion
L’extrusion est le procédé le plus utilisé pour la mise en forme de polymères chargés de fibres courtes ou de particules végétales. Ce procédé présente l’avantage de fonctionner en continu.
Moulage par compression
Ce procédé utilise une presse hydraulique et un moule métallique chauffant. Son principe de mise en œuvre présenté sur la (figure 15) est intimement lié à l’architecture ou la forme des fibres :
- Si les fibres sont contenues dans des préformes sèches, la matrice sous forme de granulés ou liquide est alors versée sur le renfort déjà déposé dans un moule chauffé ouvert ;
- S’il s’agit de préformes pré-imprégnées, dans ce cas la matrice est déjà en intime contact avec les fibres.
La fermeture du moule provoque le ramollissement du polymère et la compression des constituants, ce qui permet la pénétration de la matrice à travers les fibres et la mise en forme souhaitée de l’ensemble. Durant le maintien de la fermeture du moule sous pression lors du refroidissement, la matrice durcit. Enfin, le moule est ouvert et la pièce est éjectée. La figure 15 illustre le moulage par compression
Ce procédé permet la fabrication des pièces avec un taux volumique de fibres important, d’où son intérêt pour l’obtention des pièces dites « structurelles ». En revanche, cette technique est limitée aux formes simples.
Avec matrice thermodurcissable
Les thermodurcissables sont des macromolécules polymères liées sous l’effet de la chaleur, de la pression et des additifs chimiques (durcisseurs ou accélérateurs) par des liaisons fortes de types covalentes. Leur réticulation pendant la cuisson est irréversible, ainsi ils ne peuvent être ni modifiés, ni réutilisés, ni recyclés.
Leur faible viscosité favorise l’imprégnation des fibres naturelles, ce qui améliore les propriétés physiques et mécaniques des composites obtenus. Les principaux procédés d’élaboration des composites à base de résine thermodurcissable renforcée de fibres naturelles sont :
Moulage au contact
C’est un procédé pour petites séries. Il consiste à déposer alternativement des couches de résine catalysée et des couches de tissus sur un moule préalablement ciré. Après l’imprégnation du renfort par la résine à l’aide d’un pinceau, un débullage est effectué avec un rouleau. Ces étapes sont répétées jusqu’à atteindre le nombre de couches souhaitées.
Ce procédé est simple, peu onéreux et permet la réalisation des pièces de formes et dimensions quelconques avec un bel aspect de surface coté du moule (Berthelot, 2012). La pièce moulée par cette méthode dépend fortement du savoir-faire du mouleur. La figure 16 illustre le principe du moulage au contact.
Moulage par projection simultanée
Cette technique est une évolution du procédé de moulage au contact. Le moulage est effectué par projection simultanée de fibres coupées et mélangées avec de la résine catalysée sur un moule ciré. La couche projetée est ensuite compactée et débarrassée des bulles par l’intermédiaire d’un rouleau.
Le moulage par projection permet d’obtenir de grandes séries de pièces, avec un bas prix de revient. Le renfort est toutefois limité à des fibres coupées, et les caractéristiques mécaniques du matériau restent moyennes. Il est possible d’obtenir deux faces lisses en utilisant un moule et un contre-moule, chargés séparément, puis accolés.
Ce procédé réserve également la possibilité d’interposer une couche de tissu entre les deux, et permet alors d’obtenir des pièces ayant de meilleures caractéristiques mécaniques (Berthelot, 2012). La figure 17 montre le principe du moulage par projection simultanée.
Moulage sous vide ou infusion
Le moulage sous vide consiste à utiliser simultanément le vide et la pression atmosphérique.
Après enduction de gel-coat, on dispose le renfort sur un moule rigide, puis on coule la matrice.
Le contre moule, recouvert d’une membrane assurant l’étanchéité (feuille de caoutchouc, nylon, etc.), est ensuite emboîté. Une pompe à vide crée une dépression à travers le moule et le contremoule poreux, qui étale et débulle la résine. Le contre-moule peut éventuellement être limité à la seule membrane d’étanchéité.
Ce procédé de moulage convient pour la fabrication de pièces en petites et moyennes séries. Il permet d’obtenir de bonnes qualités mécaniques, grâce à une proportion de résine uniforme et à une diminution des inclusions d’air. Dans le cas de l’utilisation d’un contre-moule rigide, un bel aspect de surface est obtenu sur les deux faces. Les cadences de production sont toutefois assez lentes. La figure 18 illustre le principe du moulage sous vide.
Moulage par injection basse pression de résine liquide
La RTM (Resine Transfert Molding) se fait par injection sous faible pression de la résine
(thermodurcissable) liquide catalysé entre moule et contre moule où on a déjà placé le renfort. Après réticulation et durcissement de la résine, le moule est ouvert et la pièce est démoulée (Gendre, 2011).
Moulage en autoclave
Le moulage en autoclave est nommé aussi le moulage au sac. Il consiste à compacter le renfort et la résine sur un moule rigide, à travers une membrane élastique, déformable formant avec l’outillage un sac étanche.
Le moule est placé dans une enceinte fermée soumise à une pression interne de quelques mégapascals. Cette pression est appliquée sur la membrane par l’intermédiaire d’un fluide (air, eau, azote, vapeur d’eau), qui facilite la polymérisation de la résine (Michel, 2012).
Enroulement filamentaire
Cette technique est utilisée pour produire des composites de hautes performances mécaniques et de forme révolutionnaire. Elle se fait par enroulement sur un mandrin de fils pré-imprégnés dans la résine comme présenté sur (la figure 19) Aussi on peut utiliser des tissus ou des nappes de fibres.
Moulage par centrifugation
Cette technique est réservée au moulage de pièces de révolution, en particulier tubes, tuyaux, cuves, etc. Elle est une extrapolation (figure 20) de la technique de fabrication des tuyaux en fonte ou en béton centrifugé. Le moule de révolution, enduit d’agent de démoulage, est mis en rotation (à environ 2 000 tours/min). Après dépôt éventuel de gel-coat, on introduit simultanément en continu :
- le renfort : fibres coupées ou stratifil coupé ;
- la résine catalysée et accélérée (résines époxydes, polyesters, etc.) durcissant à froid.
L’imprégnation du renfort par la résine est réalisée sous l’effet de la centrifugation. La stratification s’effectue par passages successifs de la buse d’alimentation en résine et renfort. La polymérisation est effectuée à température ambiante, ou éventuellement accélérée dans une étuve. Un renfort sous forme de rouleau (mat, tissu, etc.) peut être introduit éventuellement en discontinu avant rotation du moule. La résine est introduite ensuite lors de la centrifugation.
Après polymérisation, la pièce cylindrique est extraite du moule, le retrait des résines permettant le démoulage. Cette technique permet d’obtenir un bel aspect de surface à l’extérieur, avec un diamètre et une épaisseur des pièces bien calibrés. Ce processus d’élaboration nécessite un matériel de grande précision et un très bon équilibrage du moule. La figure 9 illustre le moulage par centrifugation.
Moulage par pultrusion
Le procédé de moulage par pultrusion sert pour la fabrication de profilés, rectilignes ou courbes, à section constante, hautement renforcés dans la direction principale. Dans cette technique (figure 21), les renforts : fils, stratifils, rubans, etc., passent dans un bain de résine catalysée où ils sont imprégnés. Ils traversent ensuite une filière chauffée dans laquelle ont lieu simultanément mise en forme du profilé et polymérisation de la résine.
Ce procédé est applicable aux résines thermoplastiques et thermodurcissables. Les profilés obtenus ont des caractéristiques mécaniques élevées, compte tenu de la possibilité d’obtenir des proportions de renfort élevées jusqu’à 80 % en volume. Le procédé est adapté aux productions d’assez grandes séries (vitesse de défilement jusqu’à 20 m/h).
Il nécessite un investissement important de matériel. Exemples de fabrication : cannes à pêche, profilés divers, raidisseurs, etc. La figure 21 présente le principe du moulage par pultrusion.
Avantages et inconvénients des matériaux composites
Les composites sont préférés à d’autres matériaux parce qu’ils offrent des atouts liés à (Benmeddour, 2012) :
- leur légèreté;
- leur résistance à la corrosion et à la fatigue ;
- leur insensibilité à certains produits comme les graisses, les liquides hydrauliques, les peintures et les solvants ;
- leur possibilité de prendre plusieurs formes, d’intégrer des accessoires et permettre la réduction de bruit.
Cependant certains inconvénients freinent leur diffusion :
- les coûts des matières premières et des procédés de fabrication exorbitants dans certains cas ;
- la gestion des déchets engendrés et la réglementation de plus en plus stricte
L’industrie des matériaux composites doit donc aujourd’hui relever certains défis tels que :
- la maîtrise des émanations de produits organiques volatiles, par exemple le styrène ;
- la maîtrise des procédés de transformations et des performances des matériaux qui sous entend une très bonne connaissance des constituants mis en place ;
- la mise en place des technologies et des filières pour la gestion des déchets en fin de vie qui est la partie la plus difficile à satisfaire en raison du caractère thermostable de la plupart des matériaux composites.
De plus, dans ce dernier point, le recyclage est actuellement très limité parce que le broyage ou les autres procédés sont très couteux et fournissent une matière de faible qualité. Ces quelques inconvénients et défis à relever, ont poussé les chercheurs et les pouvoirs publics de par le monde à investir et orienter les recherches vers les ressources renouvelables et biodégradables.
Applications des matériaux composites à base des fibres végétales
Les matériaux composites à fibres végétales de nos jours prennent une place prépondérante dans différents domaines de par leur simplicité d’élaboration, leur légèreté ainsi que leurs caractéristiques mécaniques. Contrairement aux matériaux classiques qui présentent des caractéristiques mécaniques intrinsèques, les matériaux composites peuvent répondre aux exigences des différents types de contraintes à partir d’une élaboration et d’un choix judicieux de matrice et renfort, et ceci, dans différents domaines tels que :
En automobile
L’utilisation des fibres naturelles dans les matériaux composites est de plus en plus courante, notamment, chez l’équipementier automobile. Les principales applications sont les suivantes: garnissage des coffres, revêtements pour plancher, revêtement pour paroi intérieur (habillage des toits d’habitacle par la technique de contre collage/compression), revêtement pour avant et arrière, revêtement pour passage de roue, revêtements de garnissage pour plage arrière, habillage de sièges, garnitures, housse, rembourrages en mousse, filtre à huile (pour la transmission), moquette de garnissage des panneaux de portières, capitonnage des panneaux de portières routières et ferroviaires, tableaux de bord (Nanou et al., 2020).
En construction
En construction, des systèmes de façade modulaires en matériau composites sont développés pour contenir le verre et le marbre à la place de treillis conventionnel en acier. Ces structures permettent une installation rapide car elles sont conçues pour être installées directement sur les sols en béton du bâtiment. Elles sont quatre fois plus légères qu’une structure métallique conventionnelle, une bonne résistance à la corrosion et des propriétés d’isolation thermique intéressantes (Stewart, 2009).
Autres applications
On retrouve les composites à base des fibres végétale dans les applications telles que ; bancs, tables de pique-nique, modules de jeux, monture de lunette. Sports et loisirs (skis, raquette de tennis, planche à voile, surf, club de golf, aviron (Abdelkebir, 2018).
Il convient de noter que les matériaux composites sont surtout utilisés pour des applications où une haute performance est recherchée et où le prix n’est pas le facteur primordial.
Conclusion
Nous retenons que les matériaux composites renforcés par les fibres végétales présentent des nombreux avantages. De par leurs caractéristiques marquantes, ces fibres sont moins onéreuses, ont une résistance mécanique élevée, neutralité en termes d’émission de CO2, faible densité. Et les propriétés mécaniques dépendent des certains facteurs entre autres : l’orientation des fibres, le taux d’humidité, etc.
Nous retenons également que la mise en œuvre des matériaux composites dépend des types des matrices, selon qu’on peut avoir une matrice thermoplastique ou une matrice thermodurcissable. Ces matériaux présentent des avantages et inconvénients, en fonction des avantages, une large gamme de ces matériaux sont utilisés, dans le domaine d’automobile, en construction, en aéronautique, etc.
Bibliographie
Présente sur la seconde partie de l’introduction
Livre pour approfondir
Biologie végétale : Nutrition et métabolisme
Ce volume explore les rouages fascinants de la nutrition hydrominérale, de la photosynthèse et du métabolisme intermédiaire des végétaux.
