résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles...les résultats démontrent que...
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PRUNDU~ CÂLIN GEORGEL
RÉSINES ÉPOXYDES RENFORCÉES AVEC DES FIBRES NATURELLES
Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures de l'Université Laval
dans le cadre du programme de maîtrise en génie chimique pour l'obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.)
DÉP ARTEMENT DE GÉNIE CHIMIQUE FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE
UNIVERSITÉ LA V AL QUÉBEC
2009
©Prundu~ C~Hin Georgel, 2009
ReOlercieOlents
Je remercie tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à l'achèvement de ce
mémoire.
Je tiens à remercier plus p~rticulièrement le professeur Denis Rodrigue pour
m'avoir donné la chance de réaliser ce projet de maîtrise, pour ses directives et ses
conseils qui ont été d'une grande importance tout au cours du projet, ainsi que les
membres de son g~oupe de recherche pour leur aide et leur collaboration.
De plus, je remercie également les Départements de génie chimique et des
sciences du bois et de la forêt, ainsi que le centre de recherche CERSIM (CERMA) pour
l'utilisation de leurs installations sans lesquelles ce projet n'aurait pas vu le jour.
Je remercie les professeurs Carl Duchesne, Anh LeDuy, Alain Garnier et la
chimiste Rodica PIe su pour leur aide précieuse.
Et pour terminer, une pensée pour toute ma famille au sens large. Ils sont
nombreux et m'ont vraiment soutenu tout au long de ce travail. En particulier, merci à ma
femme, Maria Teodora, à ma fille, Ana Maria Smaranda et a mon fils Stefan George qui
m'ont soutenu au cours de cette maîtrise et m'ont aidé à faire de ce projet une réussite.
ii
Résumé
Dans ce travail, des résines époxydes et des fibres naturelles ont été utilisées afin
de produire des matériaux composites. En particulier, l'étude a porté s~r la fabrication et
la caractérisation de plusieurs types de résines époxydes et aussi sur plusieurs types de
fibres naturelles en utilisant des amines comme agent de réticulation (durcisseur). Les
échantillons ont été caractérisés en termes de densité, morphologie et propriétés
mécaniques (tension, flexion et torsion).
Les résultats démontrent que l'utilisation de fibres naturelles conduit à une
augmentation considérable des propriétés mécaniques des résines époxydes. Dans notre
cas, les meilleurs résultats ont été obtenus avec des fibres de bois (bouleau jaune). Les
fibres naturelles sont intéressantes par leur caractère recyclable, écologique, renouvelable
et biodégradable.
iii
iv
Table des matières
Remerciements ................................................................................. ii
Résumé ............................................................................................................................. iii
Table des matières ..................................................................................................... iv
Liste des Figures ......................................................................................................... ix
Liste des Tableaux .... ................................................................................................. xv
Nomenclature ............................................................................................................... xvii
Chapitre 1
Introduction ...................................................................................................................... 1
1.1 Généralités ................................................................................................................... ... 1
1.2 Les résines époxydes ...................................................................................................... 6
1.2.1 Historique ...................................................................................................................... 7
1.2.2 Processus de polymérisation ......................................................................................... 1 0
1.3 Les fibres de renfort pour les composites .................................................................... 22
1.3.1 Introduction ................................................................................................................... 22
1.3.2 us fibres de bois .......................................................................................................... 25
1.3.3 us fibres de chanvre .................................................................................................... 27
1.3.4 us fibres de lin ............................................................................................................. 28
1.3.5 us fibres de sisal .......................................................................................................... 31
v
1.3.6 Avantages, désavantages et applications des fibres naturelles ..................................... 31
1.4 Objectifs du travail ......... ...... ......................................................................................... 35
Chapitre 2
Revue de la littérature ....... .................................................... ........................................ 37
2.1 Résines époxydes renforcées avec des nanoparticules ........................................ ........ 37
2.2 Résines époxydes renforcées avec des fibres de verre ....................................... .. ....... 38
2.3 Résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles ............... ........................... .... 39
2.4 Conclusion partielle ...................................................................................................... . 49
Chapitre 3
Matériaux et Méthodes Expérimentales ................................................................. 51
3.1 Description des matériaux ............................... .......... ..................................................... 52
3.1.1 Résines .............................................................. ............................................................ 52
3.1.2 Durcisseurs .................... ............... ................................................................................. 52
3.1.3 Fibres naturelles ............................................................................................... ............. 53
3.1.4 Autres produits .................. ............................................................................................ 54
3.2 Procédure expérimentale ............................... ..... ........................................................... 55
3.2.1 Fabrication des échantillons .............. ............................................................................ 55
3.2.2 Découpage des échantillons .......................................................................................... 56
3.2.3-Densité ............................................................ .............................................................. 57
3.2.4 Morphologie .................................................... ............................................................... 58
vi
3.2.5 Tests mécaniques .......................................................................................................... 59
3.2.5.1 Tests en flexion .......................................................................................................... 59
3.2.5.2 Tests en torsion .......................................................................................................... 62
3.2.5.3 Tests en traction ......................................................................................................... 65
Chapitre 4
Résultats et Discussion .................................................................................................. 68
4.1 Analyse morphologique ................................................................................................. 69
4.1.1 Taille des fibres ............................................................................................................. 70
4.1.2 Densité .......................................................................................................................... 74
4.2 Tests mécaniques (fibres de 300-600 J.1m) .................................................................... 77
4.2.1 Tests en flexion ............................................................................................................. 77
4.2.2 Tests en torsion ............................................................................................................. 82
4.2.3 Tests en traction ............................................................................................................ 87
4.3 Tests mécaniques (fibres de 125-300 J.1m) .................................................................... 95
4.3.1 Tests en flexion ............................................................................................................. 95
4.3.2 Tests en torsion ............................................................................................................. 97
4.3.3 Tests en traction ............................................................................................................ 99
Chapitre 5
Conclusions et Recommandations ............................................................................ 105
5.1 Morphologie .................................................................................................................... 106
vii
5.2 Module en flexion ........................................................................................................... 106
5.3 Module en torsion .......................................................................................................... 1 07
5.4 Module en traction ......................................................................................................... 1 08
5.5 Recommandations .......................................................................................................... 108
Bibliographie ................................................................................................................ 110
Annexe
Annexe A
Epon 828 ................................................................................................................................ 114
Annexe B
BE 188 .................................................................................................................................... 116
Annexe C
Anquamine 401 ...................................................................................................................... 117
Annexe D
Anquamine 701 ...................................................................................................................... 118
Annexe E
Epodil 748 ............... : .............................................................................................................. 119
Annexe F
Alcool benzylique .................................................................................................................. 120
Annexe G
Alkasurf C0720 ..................................................................................................................... 121
viii
AnnexeH
Hi-Sil T700 ............................................................................................................................ 122
Liste des Figures
Figure 1.1 Principales applications des polymères époxydes ............................................... 3
Figure 1.2 L'épichlorhydrine du glycol. ............................................................................... 7
Figure 1.3 Le groupe époxyde .............................................................................................. 7
Figure 1.4 Bisphénol ............................................................................................................. 8
Figure 1.5 Schéma du processus de polymérisation entre un époxy bi-fonctionnel et
un durcisseur tétra-fonctionnel ..................................................................................... 11
Figure 1.6 Modifications irréversibles de la structure d'une résine thermodurcissable
par réticulation. (a) monomères, (b) plusieurs agrégats moléculaires se sont
formés, Cc) la limite de percolation et (d) le réseau complètement réticulé ................. 12
Figure 1.7 Les diagrammes d'état Temps-Température-Transformation (TTT) .................. 14
Figure 1.8 Le groupe époxyde .............................................................................................. 16
Figure 1.9 Le groupe glycidyléther ....................................................................................... 16
Figure 1.10 Le glycidyl éther du bisphénol-A ...................................................................... 16
Figure 1.11 Mécanismes pour les réactions époxyde-amine. (a) la réaction entre
l'amine primaire et l'époxyde, (b) la réaction entre l'amine secondaire et
l'époxyde, (c) la réaction entre un alcool et l'époxyde ................................................ 19
Figure 1.12 Équations de dissociation des diamines, (1) en milieux aqueux et (2) en
milieux organiques ....................................................................................................... 20
Figure 1.13 Performances des résines lesplus utilisées dans l'industrie .............................. 22
Figure 1.14 Classification des différents types de fibres naturelles ...................................... 24
Figure 1.15 Structure du bois (observations multi-échelles) ................................................ 26
ix
x
Figure 1.16 Coupe transversale de tige de chanvre .............................................................. 28
Figure 1.17 Faisceau de fibres de chanvre en coupe transversale par microscopie
électronique à transmission .......................................................................................... 28
Figure 1.18 Trois étapes différentes de la tige de lin (12 jours, 50 jours et 98 jours) en
coupes transversales ..................................................................................................... 30
Figure 1.19 Faisceau de fibres dans une tige de lin, coupe transversale par
microscopie électronique à transmission ...................................................................... 30
Figure 2.1 , Module en flexion (gauche) et la résistance à la flexion (droite) des
époxydes nanocomposites en fonction de leur contenu en nanoparticules .................. 38
Figure 2.2 Amortissement spécifique en fonction de la charge maximale pour le lin et
le jute pour des conditions de 104 cycles de charge / niveau de charge ....................... 41
Figure 2.3 Effet de la concentration en fibres de lin sur la résistance à la traction .............. 45
Figure 2.4 Contraintes en traction pour les résines époxydes renforcées avec des
fibres de sisal de longueurs différentes ......................................................................... 48
Figure 2.5 Module d'élasticité en fonction de la concentration de fibres de sisal. ............... 49
Figure 3.1 Distribution de la taille des particules pour les .fibres longues (300-600
~m) ............................................................................................................................... 53
Figure 3.2 Distribution de la taille des particules pour les fibres courtes (125-300
~m) .......................................................................................................... : .................... 54
Figure 3.3 Dimensions des échantillons pour les tests de torsion et de flexion .................... 56
Figure 3.4 Dimensions des échantillons pour les tests de traction ........................................ 57
Figure 3.5 Microscope électronique à balayage (Scanning Electron Microscope) ............... 59
Figure 3.6 Instron modèle 5565 au laboratoire du Département de chimie ..... 'o •••••••••••••••••••• 60
Figure 3.7 Géométrie à trois points de contact pour les tests en flexion .......... ~ ................... 61
Figure 3.8 Courbe typique de force en fonction de la déformation pour un test de
flexion ....................................................... ~ ................................................................... 62
Figure 3.9 Rhéomètre ARES pour les tests de torsion rectangulaire au laboratoire de
génie chimique .............................................................................................................. 63
Figure 3.10 Dispositif de fixation pour les échantillons en torsion rectangulaire ................ 64
Figure 3.11 Résultats typiques d'un balayage en déformation pour un test en torsion ........ 65
Figure 3.12 Dispositif de fixation pour les échantillons en traction ..................................... 66
Figure 3.13 Courbe typique de contrainte-déformation pour des tests en tension ................ 67
Figure 4.1 Photos de résines époxydes renforcées avec 10% de fibres de bois (T 1.1),
sisal (T3.1), lin (T6.1) et chanvre (T7.1) de 300-600 ~m avec un grossissement
de 200X ......................................................................................................................... 71 ·
Figure 4.2 Photos de résines époxydes renforcées avec 10% de fibres de bois (T 1.1),
sisal (T3.1), lin (T6.1) et chanvre (T7.1) de 300-600 ~m avec un grossissement
de 1000X ...................................................................................................................... 71
Figure 4.3 Photos de résines époxydes renforcées avec 30% de fibres de bois (T 1.3),
sisa 1 (T3.3), lin (T6.3) et chanvre (T7.3) de 300-600 ~m avec un grossissement
de 200X ........................................................................................................................ 72
Figure 4.4 Photos de résines époxydes renforcées avec 30% de fibres de bois (T1.3),
sisal (T3.3), lin (T6.3) et chanvre (T7.3) de 300-600 ~m avec un grossissement
de 1000X ....................................................................................................................... 72
Figure 4.5 Photos de résines époxydes renforcées avec 10% de fibres de bois (T Il.1),
sisal (T14.1), lin (T3.1) et chanvre (T12.1) de 125-300 ~m avec un
grossissement de 200X .................................................................................................. 73
Figure 4.6 Photos de résines époxydes renforcées avec 10% de fibres de bois (T Il.1),
sisal (T14.1), lin (T3.1) et chanvre (T12.1) de 125-300 ~m avec un
grossissement de 1000X ................................................................................................ 73
xi
xii
Figure 4.7 Courbes typiques de la force en fonction de la déformation pour un test en
flexion (30% de fibres) ................................................................................................. 78
Figure 4.8 Module de flexion en fonction de la concentration en fibres naturelles
(300-600 ~m) ................................................................................................................ 79
Figure 4.9 Pourcentage de variation du module en flexion en fonction de la
concentration en fibres naturelles (300-600 ~m) ................ ~ ........................................ 80
Figure 4.10 Pourcentage de variation du module en flexion en fonction de la
concentration en fibres de bois (300-600 ~m) ............ .. ......... ....... ................................ 81
Figure 4.11 Module en torsion en fonction de la fréquence ................................................ 83
Figure 4.12 ' Module en torsion en fonction de la concentration de fibres naturelles
(300-600 ~m) ................................................................................................................ 84
Figure 4.13 Pourcentage de variation du module en torsion en fonction de la
concentration de fibres naturelles (300-600 ~m) ......................................................... 85
Figure 4.14 Pourcentage de variation du module en torsion en fonction de la
concentration en fibres de bois (300-600 ~m) .............................................................. 86
Figure 4.15 Courbes de contrainte-déformation pour des tests en traction .......................... 87
Figure 4.16 Module en . traction en fonction de la concentration en fibres naturelles
(300-600 ~m) ................................................................................................................ 88
Figure 4.17 Pourcentage . de variation du module en traction en fonction de la
concentration en fibres naturelles (300-600 ~m) ......................................................... 89
Figure 4.18 Pourcentage de variation du module en traction en fonction de la
concentration en fibres de bois (300-600 ~m) .............................................................. 91
Figure 4.19 Contrainte maximale en traction pour les résines époxydes renforcées
avec des fibres naturelle (300-600 ~m) ........................................................................ 92
xiii
Figure 4.20 Déformation à la contrainte maximale en traction pour pour les résines
époxydes renforcées avec des fibres naturelle (300-600 ~m) ...................................... 92
Figure 4.21 Contrainte à la rupture en traction pour les résines époxydes renforcées
avec des fibres naturelle (300-600 ~m) .............. .......................................................... 93
Figure 4.22 Déformation à la rupture en traction pour les résines époxydes renforcées
avec· des fibres naturelle (300-600 ~m) .............. .......................................................... 94
Figure 4.23 Les modules en flexion en fonction de la concentration en fibres
naturelles (125-300 ~m) .......................................... ..................................................... 96
Figure 4.24 Pourcentage de variation du module en flexion en fonction de la
concentration en fibres naturelles (125-300 ~m) ............................................ · ............. 97
Figure 4.25 Module en torsion en fonction de la concentration en fibres naturelles
(125-300 ~m) ................................................................................................................. 98
Figure 4.26 Pourcentage de variation du module en torsion en fonction de la
concentration en fibres naturelles (125-300 ~m) ......................................................... 99
Figure 4.27 Module en traction en fonction de la concentration en fibres naturelles
(125-300 ~m) ................................................................................................................ 100
Figure 4.28 Pourcentage de variation du module en traction en fonction de la
concentration en fibres naturelles (125-300 ~m) ......................................................... 101
Figure 4.29 Contrainte maximale en traction pour les résines époxydes renforcées
avec des fibres naturelle (125-300 ~m) ............. ........................................................... 102
Figure 4.30 Déformation à la contrainte maximale en traction pour pour les résines
époxydes renforcées avec des fibres naturelle (125-300 ~m) ...................................... 102
Figure 4.31 Contrainte à la rupture en traction pour les résines époxydes renforcées
avec des fibres naturelles (125-300 ~m) ...................................................................... 103
xiv
Figure 4.32 Déformation à la rupture .en traction pour les résines époxydes renforcées
avec des fibres naturelles (125-300 !lm) ...................................................................... 104
Liste des Tableaux
Tableau 1.1 Quantité de fibres naturelles utilisées dans l'industrie automobile en
Allemagne de 1999 à 2005 ........................................................................................... 5
Tableau 1.2 Nom commercial pour quelques résines à base de diglycidyléther du
bisphénol A en fonction de la valeur de n .................................................................... 17
Tableau 1.3 Quelques agents réticulant pour les résines époxydes ..................................... 18
Tableau 1.4 Quelques caractéristiques principales de résines .............................................. 21
Tableau 1.5 Caractéristiques des fibres naturelles ............................................................... 27
Tableau 1.6 Comparaison entre les avantages et les désavantages d'utiliser des fibres
naturelles ............ ...................... ...................................................................................... 33
Tableau 2.1 Ré~u1tats expérimentaux obtenus en environnement contrôlé à différents'
taux d'humidité relative (0, 60 et 96% RH) à 60°C de l'essai de traction
uniaxiale réalisé dans le sens chaîne et trame .............................................................. 39
Tableau. 2.2 Effet du traitement chimique sur les propriétés en traction pour les tissus
de Hildegardia populifolia en renfort pour les résines époxydes ................................. 42
Tableau 2.3 Résistance à la traction et à la flexion de composites renforcés avec des
fibres de noix de coco ................................................................................................... 42
Tableau 2.4 Composition de résines pures et renforcées avec cellulose .............................. 44
Tableau 2.5 Propriétés mécaniques des résines pures et renforcées avec de la
cellulose ........................................................................................................................ 45
Tableau 2.6 Effet du traitement chimique sur les propriétés en traction des résines
époxydes renforcées avec fibres de lin ......................................................................... 46
Tableau 2.7 Propriétés mécaniques des fibres de sisal et de lin en comparaison avec
les fibres de verre .......................................................................................................... 47
xv
xvi
Tableau 2.8 Propriétés mécaniques de l'époxyde vierge et renforcé avec différentes
concentrations de fibres de sisal ................................. u •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 48
Tableau 3.1 Plan expérimental .............................................................................................. 51
Tableau 4.1 Les principaux tests réalisés pour les fibres de 300 - 600 ~m ......................... 68
Tableau 4.2 L~s principaux tests réalisés pour les fibres de 125 - 300 ~m ......................... 69
Tableau 4.3 Densités obtenues pour les différents échantillons en fonction de la
concentration, de la taille et du type de fibre ................................................................ 75
N oOlenclature
A Longueur de l'échantillon.
Al20 3 L'oxyde d'aluminium.
ASTM D638 Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.
ASTM D790 Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and
Reinforced Plastics.
B
BE 188
C
DDS
DE TA
DGEBA
Dicy
E
EDA
ENR
EPON828
EVA
Largeur de l'échantillon.
Diglycidyl éther du bisphénol A.
Épaisseur de l'échantillon.
Diaminodiphénylsulfone.
Diéthylènetriamine.
Dyglycidyléther du bisphénol A.
Dicyandiamide.
Module d'élasticité.
Éthylènediamine~
Epoxidised natural rubber.
Diglycidyl éther du bisphénol A.
Copolymère d'acétate de vinyle / éthylène.
Module en flexion.
Module d'élasticité.
xvii
xviii
Em Module de la matrice.
Et Module d'élasticité.
G Module de cisaillement (torsion).
G' Module de torsion élastique.
G" Module de torsion visqueux.
G* Module de torsion complexe.
GIC Résistance à l'impact.
gel Tg Température où la vitrification et la gélation coïncident.
HDPE Polyéthylène haute densité.
HHP A Anhydride hexahydrophtalique.
HMDA Hexaméthylènediamine.
HO· Groupement hydroxyle.
K, Kt, ..... K7 Constantes de vitesse pour les réactions directes.
K', K' t, ..... K' 7 Constantes de vitesse pour les réactions inverses.
KIC Résistance à la rupture.
L Distance entre les supports.
m Pente initiale des courbes force-déformation.
M Masse de l'échantillon . .
MDA Méthylènedianiline.
mPDA II).-phénylènediamine.
MTHPA Anhydride tétrahydrophtalique.
NaOH
NR
o
pH
PHI
PLA
PMDA
PP
PU
RCF
RCF 135
RCF440
RCF 440-0
RCF 440-p
RH
L'hydroxyde de sodium.
Fibres traitées avec latex.
Nombre de molécules de monomères incorporées dans une
molécule de polymère.
Potentiel hydrogène qui mesure l'acidité ou la basicité d'une
solution.
Phényl isocyanate.
L'acide polylactique.
Dianhydride pyromellitique.
Polypropylène.
Polyuréthane.
L'époxyde renforcé avec la cellulose recyclée.
L'époxyde renforcé avec la cellulose recyclée de densité surfacique
0,135 kg/m2•
L'époxyde renforcé avec la cellulose recyclée de densité surfacique
0,440 kg/m2•
L'époxyde renforcé avec la cellulose recyclée de densité surfacique
0,440 kg/m2 et feuille normale.
L'époxyde renforcée avec la cellulose recyclée de densité
surfacique 0,440 kg/m2 et feuille parallèle.
Humidité relative.
L'amine primaire.
L'amine secondaire.
xix
RTM
SEBS
SDC
SBS
S28
S35
S46
TETA
TGMDA
Moulage par injection de résine à basse pression.
Styrène éthylène butadiène styrène.
Le déficit d'énergie/l'énergie de pression.
Styrène butadiène styrène.
Résine époxyde renforcé~ avec 28% de fibres de sisal.
Résine époxyde renforcée avec 35% de fibres de sisal.
Résine époxyde renforcée avec 46% de fibres de sisal.
Triéthylènetétramine.
Tétraglycidylméthylènedianiline
TGMDA/DDS Tétraglycidylméthylènedianiline / 4, 4' -diaminodiphényl sulfone.
Tg
TgO
Tgoo
Tmax
TTT
UV
WCA
WOCA
Température de transition vitreuse.
Température de transition vitreuse des matériaux non réagis (a=O).
Température de transition vitreuse de l'adhésif complètement réagi
(a=l).
Dioxyde de titane.
Température maximale.
Les diagrammes d'état Temps-Température-Transformation.
Rayonnement ultraviolet.
Agent de couplage.
Sans agent de couplage.
xx
Symboles grecs
Erup
<D
<De
P
Pm
v
Coefficient de dilatation thermique.
Épaisseur totale de l'échantillon.
Déformation maximale en traction.
Déformation à rupture en traction.
Déformation longitudinale de rupture.
Volume des· agrégats.
Valeur critique pour la réticulation (point de percolation).
Masse volumique d'un échantillon.
Masse volumique de la résine.
Résistance à la flexion.
Résistance aux chocs (impact).
Contrainte maximale en traction.
Contrainte à rupture en traction.
Contrainte axiale à la rupture.
Coefficient de Poisson.
xxi
1.1 Généralités
Chapitre 1
Introduction
1
TI n'y a rien de plus naturel que d'utiliser des matières renouyelables, surtout dans
un secteur qui s'est développé grâce à des produits de synthèse de plus en plus élaborés.
Pourtant, l'industrie des composites se prépare à l'«après pétrole» et envisage de fabriquer
des matériaux, dont tous les composants, fibres, matrice polymère et additifs, seront
d'origines renouvelables. Un objectif ambitieux, mais qui n'est plus considéré comme
utopique.
Hausse de l'énergie et réchauffement climatique aidant, ils suscitent des
recherches dans les laboratoires et chez les industriels. En fait, tout en lançant des études
sur les futurs «biocomposites», les spécialistes du secteur continuent à travailler sur une
première étape: l'introduction des fibres naturelles dans des polymères de synthèse,
source de multiples difficultés qui ne sont pas entièrement résolues.
L'introduction de fibres végétales dans une matrice en polymère de synthèse
demande aux spécialistes des composites de trouver de nouvelles solutions techniques.
1) En modifiant la géométrie des outils de compoundage pour qu'ils ne
détériorent pas les fibres, il est possible de disperser les fibres les plus fragiles dans le
polymère.
2) En intégrant au procédé un traitement thermomécanique, des additifs de
couplage, des traitements chimiques ou un greffage des fibres, on assure l'adhésion fibres
matrice, alors que les deux matières sont peu compatibles.
3) Le traitement thermique réduit la tendance des fibres à absorber de
l'humidité.
4) En choisissant un polymère transformable à basse température, et en
adaptant les procédés de compoundage et de mise en forme pour tenir compte de
l'instabilité thermique des fibres au-delà de 200oe.
2
Aujourd'hui, le coût à l'achat des résines époxydes étant de plus en plus élevé, il
devient intéressant de substituer un pourcentage de la résine avec des fibres naturelles.
Nous obtenons alors un double effet positif, un économique et un écologique.
Le sujet de cette recherche porte sur la caractérisation de l'effet du renforcement
des résines époxydes avec des fibres naturelles (bois, sisal, chanvre et lin). Le but de
notre étude sera de quantifier l'effet du renforcement des fibres naturelles sur les
propriétés mécaniques des résines époxydes. On cherche donc à produire un matériau
plus léger et moins coûteux que le polymère original tout en ayant de bonnes propriétés
mécaniques.
Les matériaux composites à base de fibres se sont surtout développés pendant le
vingtième siècle, grâce à la création des résines et des fibres synthétiques. En plus des
composites naturels comme le bois, les hommes ont depuis l'Antiquité élaboré un grand
nombre de matériaux ou de structures composites. Les origines des composites avancées
datent toutefois des ' années 1930 [1]. Les premières résines et fibres synthétiques ayant
été développées au cours de cette décennie.
Les polymères sont des matériaux légers et peuvent être employés en solution ou
fondus pour imprégner des fibres à des températures et des pression's plus faibles que
celles nécessaires à d'autres matériaux tels que les métaux. De plus, les résines résistent
mieux à la plupart des milieux corrosifs. Le faible module mécanique des polymères
facilite le transfert de charge aux fibres et permet ainsi l'exploitation des propriétés
mécaniques de ces dernières. Parmi les inconvénients, notons que les polymères ne
possèdent pas de propriétés à haute performance, rendant ainsi les composites
unidirectionnels très anisotropes. Ainsi, l'absorption d'eau par les fibres peut nuire aux
performances des composites. L'hydrolyse de la résine peut aussi entrainer la destruction
des interfaces fibre-matrice.
Les polymères époxyde peuvent être utilisés sous forme de vernis, mais aussi de
peintures, en ajoutant des colorants ou des pigments. De plus, leurs propriétés physiques,
mécaniques ou chimiques bien définies peuvent être obtenues par l'adjonction de
charges, notamment de silice, de quartz, de graphite, de fibres naturelles ou de poudre
métallique. Enfin, les durcisseurs servant à la polymérisation des prépolymères époxydes
3
sont d'une grande importance. Ce sont eux qui déterminent comment et dans quelle
application le produit fini sera le mieux utilisé.
Les domaines d'application des époxydes sont nombreux et la Figure 1.1 en
présente les plus importants.
TrêfiSpO rts 8%
Electrictté et électronique
24%
Construction et bâtiment
ADplications . sfri.Jcturell es
11%
18%
Autres 4%
BOÎtes de conserves et rOts
11 %
Applications maritimes 8%
Figure 1.1 Principales applications des polymères époxydes [2].
Depuis leur première synthèse dans les années 50, les époxydes sont devenus l'un
des grands succès de l'industrie des matières plastique. Ils sont d'application universelle
grâce à leur polyvalence et à leur facilité d'utilisation. Les époxydes sont adaptés tant aux
articles ménagers qu'aux grands travaux de construction, tant aux ordinateurs qu'aux
satellites, tant aux boîtes de boisson qu'aux cloisons des navires. Environ 830 000 tonnes
d'époxydes sont produites dans le monde chaque année [3].
Les résines époxydes sont souvent employées pour les composites à haute
performance car leur retrait est nettement inférieur à celui des polyesters. De plus, leur
adhérence, leur résistance mécanique et leur résistance chimique sont élevées.
Les matériaux composites à matrice organique sont présents dans de nombreux
secteurs industriels: transport, nautisme, électronique, bâtiment, sports et loisirs, etc. Ils
4
bénéficient d'une croissance rapide et régulière due à la diversité de leurs propriétés et de
leurs procédés de transformation. Ces matériaux apportent de nombreux avantages
fonctionnels tels que la légèreté, la résistance mécanique et chimique, la liberté de formes
et un entretien réduit. Leur développement est notamment alimenté par la diversité et
l'innovation des systèmes de renforts qui présentent une gamme de propriétés de plus en
plus étendue grâce à l'utilisation de matériaux atypiques et le développement de
nouvelles structures.
Les fibres naturelles telles que le lin, le coton, le chanvre ou le sisal sont de plus
en plus utilisées comme fibres de renfort dans les composites. C'est principalement dans
le secteur automobile, où le souci de dégager une image plus écologique et de réaliser des
économies de poids a abouti à une utilisation croissante des fibres naturelles. Aux États
Unis, la plage arrière de la Chevrolet Impala est fabriquée à partir d'un « non-tissé» de
fibres composé à 50% de polypropylène (PP) et à 50% de lin [4]. Dans ce cas, les fibres
de lin sont traitées mécaniquement avant d'être mêlées aux fibres de PP. Le mat de fibres
qui en résulte est ensuite transformé en un produit fini en une seule étape de compression.
Les constructeurs français recourent également aux fibres naturelles avec
notamment des applications dans la tablette arrière de la Mégane, les panneaux de portes
de la 406 et l'habillage du coffre de la Xantia. La plupart de ces produits sont réalisés par
thermoformage de semi-produits composés de fibres de PP et de mat de fibres naturelles
(lin, chanvre, jute) ou par compression de résines phénoliques ou de polyuréthanne avec
un mat de fibres naturelles [4]. Le Tableau 1.1 montre l'utilisation croissante des fibres
naturelles dans l'industrie automobile en Allemagne [5]. De 1999 à 2005, l'utilisation des
fibres naturelles a connu une augmentation de 100% en six ans.
5
Tableau 1.1 Quantité de fibres naturelles utilisées dans l'industrie automobile en
Allemagne de 1999 à 2005 [5].
Chon 1: n()~a-lnSlinlt Nov. 006
Use of Maturai Fibres' for Composites in the German
20.000
18.000
16.000
"" 14.00() ~
... 12.000
i 10.000
! 6.000
6.000
04.000
2.000
Aulomotive Industry 1999-2005 .
11.001
o +------~~-----~----------~----------~-----~----------~-----~~
Total 9.6lJO 12.200 15 .. 100 1'.200 lB.OOO 18.500 19.000 DE)(otkFi:J~ 1 .~8 1.279 2.618 2.695 ~ ,,995 5.000 5.00D • Herm 312 L.3SO 913 Z.416 2.0iZ 1.500 1.800
fIIl( 7.680 9.571 l t.~69 U.89D 1D.99J 12.000 12.200
.. wfthout wood aad CDtton
Les fibres naturelles sont également présentes dans d'autres secteurs d'activité. La
société allemande de transducteurs et de systèmes acoustiques, Emwe, a mis au point des
capots pour haut-parleurs de basses en matériaux composites renforcés de fibres végétales
[4]. Après des mesures comparatives avec d'autres matériaux comme le bois ou
l'aluminium, il est apparu que ces capots offraient des qualités isolantes excellentes et un
amortissement des sons supérieurs aux autres matériaux.
Grâce à son expérience dans le travail et la préparation des fibres naturelles telles
que le lin, le sisal, le jute et le chanvre, la société Laroche en France a développé un
nouveau procédé pour la production de fibres de chanvre destinées principalement à
l'industrie des non-tissés [4]. Ce nouveau procédé continu, dit de « balle à balle »,
transforme la paille rouie en fibres propres et affinées. La ligne de traitement est capable
de traiter jusqu'à 2 tonnes/heure de paille de chanvre avec un rendement en fibres de 25 à
30% ou plus, selon la qualité de la matière première et son degré de rouissage.
6
Les fibres végétales pourraient constituer une alternative intéressante aux fibres de
verre en raison notamment de leur légèreté et de leur faible impact environnemental [6].
Les fibres de lin ou de chanvre sont, avec leur densité proche de 1,5 g/cm3, plus légères
d'environ 40% que les fibres de verre (2,5 g/cm3). Elles présentent, d'autre part, des
propriétés mécaniques pouvant atteindre celles du verre en termes de résistance à la
traction et de résilience. De plus, leur fabrication nécessite jusqu'à 80% moins d'énergie
que les fibres de verre.
Les fibres végétales présentent cependant encore plusieurs verrous techniques qui
limitent leurs applications. Ces fibres sont sensibles à la température, à l'absorption
d'humidité et se dégradent avant 300°C, ce qui est proche de la température de
transformation du polypropylène ·(190 à 250°C). TI existe également un risque de
dégagement d'odeur et d'humidité lors de leur vieillissement. Néanmoins, des
développements sont en cours pour limiter ces inconvénients.
1.2 Les résines époxydes
TI existe de nombreuses familles d'adhésifs: à base d'élastomères tel que Je
néoprène, les élastomères thermoplastiques tels que le SBS et le SEBS, les adhésifs
thermofusibles tels que l'EVA ou les polyamides, les thermodurcissables tels que les
résines époxydes, etc. Mais pour remplir le rôle qui leur est demandé, à savoir joindre
dans des conditions parfois sévères des substrats supportant d'importantes charges, les
adhésifs structuraux se doivent d'être eux même mécaniquement résistants. Cette
contrainte · fait que la plupart des adhésifs structuraux possède une structure
tridimensionnelle: il s'agit de produits réticulés.
Dans la pratique, la majorité des adhésifs structuraux sont composés . de résines
époxydes. L'EPON 828 et BE 188, utilisé au cours de notre étude, appartiennent à la
famille des polymères thermodurcissables et plus exactement à la sous-famille des
adhésifs structuraux de type époxyde. Les thermodurcissables sont constitués d'un
enchaînement covalent tridimensionnel de motifs moléculaires répétitifs. Sous l'action de
la température, ils conservent un comportement solide, les chaînes macromoléculaires
7
étant reliées entre elles par des liens de réticulation. À température plus élevée, ils se
dégradent sans fondre.
Les résines époxydes présentent généralement un bon comportement mécanique
en traction, compression et flexion. Classiquement, elles possèdent en traction une
contrainte à rupture, Or ~ 60 à 80 MPa, déformation à rupture, Er ~ 2 à 5%, module de
Young, E ~ 3 à 5 GPa, module de Poisson, v ~ 0,5, densité, p ~ 1,1 à 1,5. g/cm3 [7]. De
plus, elles possèdent une tenue thermique satisfaisante jusqu'à des températures
relativement élevées (de 100 à 180°C), de bonnes propriétés physiques (notamment en
environnement humide) et une grande inertie chimique.
Les principaux inconvénients sont leur ténacité limitée et leur ductilité faible.
1.2.1 Historique [2]
• 1854: Berthelot et Luca découvrent en partant de la glycérine, un liquide à odeur de
chloroforme qui est l'épichlorhydrine du glycol comme dans la Figure 1.2.
Figure 1.2 L'épichlorhydrine (1-chloro-2,3-époxypropane) .
• 1860: Wurtz étudie le groupe époxyde (Figure 1.3).
Figure 1.3 Le groupe époxyde.
8
• 1891: Dianin obtient du bisphénol à partir de phénol et d'acétone (Figure 1.4).
CH3
1
HO C OH
1
CH3
Figure 1.4 Bisphénol.
• 1905: Weinschenk détermine que la réaction entre l 'épichlorhydrine et l'anhydride
phtalique donne une masse résineuse.
• 1909: Le chimiste russe Prileschajew découvre que les oléfines réagissaient avec
l'acide perbenzoïque pour donner une fonction époxy.
• 1932: À Zurich, Detrey cherche à remplacer le caoutchouc vulcanisé de prothèses
dentaires par des matières synthétiques.
• 1934: Fairbourne, Gibson et Stephen étudient la réaction de l' épichlorhydrine avec le
phénol. Schalack et I.G. Farben cherchant à améliorer la teinture de la soie en faisant
réagir des dérivés époxydes avec des polyamides. La réaction peut conduire à des colles
et à des masses plastiques.
• 1934-1938: Le suisse Pierre Castan, qui travaille pour les frères de Trey, met au point et
brevète les premières résines époxydes obtenues par réaction du bisphénol et de
l'épichlorhydrine. La résine est durcie avec de l'anhydride phtalique ou des amines.
Application: exclusivement le moulage de prothèse dentaire.
• 1940: L'américain Sylvain Grenelée, chimiste de la société de peinture Devoe et
Reynolds, combine le . bisphénol et l' épichlorhydrine pour obtenir des alcools à haut
poids moléculaire.
9
• 1941: Shell produit industriellement l' épichlorhydrine à partir du propylène. Elle
s'associe à Devoe et Reynolds pour la mise au point de peintures très résistantes à la
corrosion et applicables sous l'eau.
• 1946: La société suisse Ciba, qui a acheté la licence des brevets Castan, présente à la
foire de Bâle, les premiers échantillons d'un adhésif puissant pour tous matériaux,
l'araldite.
• 1950: La production industrielle débute pour répondre à une demande croissante de
revêtements performants. Les applications des époxydes se développent dans les
adhésifs, peintures pour bateaux, installations portuaires, pipe-lines, raffineries, etc. On
utilise aussi pour le moulage de plastiques armés à très haute résistance mécanique
telles que les pales d'hélicoptères.
• 1968: Mise au point de la gélification sous pression automatisée. Ceci permet de mouler
des pièces de 2 g à 200 kg comme des isolateurs de corps de pompes, des disjoncteurs,
etc.
• 1972: Premiers moulages par injection de résines époxydes solides. Aujourd'hui, les
résines époxydes servent aussibien au bricoleur qu'au fabricant d'engins spatiaux, à la
préservation des vieux monuments ou à la copie de pièces de musée.
Depuis 1950, plus d'une cinquantaine de structures chimiques distinctes ont été
mises au point avec des nuances quant à la masse moléculaire, l'isomérie,la pureté, etc.
Avec une centaine d'agents de réticulation, des agents modificateurs, des diluants, des
charges organiques ou inorganiques, ces résines peuvent être préparées avec une variété
infinie de formules. Les époxydes sont considérés comme un avancement technologique
sans précédent sur les résines phénoliques et les résines polyesters.
10
1.2.2 Processus de polymérisation
Les polymères peuvent être classés en deux grandes familles: les thermoplastiques
et les thermodurcissables. Les thermoplastiques sont composés de longues
macromolécules qui ne possèdent pas de liaisons disponibles pour créer des ponts forts
avec d'autres molécules. Ils peuvent être amorphes (polyamide ' ou polystyrène) ou semi
cristallins (polyéthylène ou polypropylène). Les thermoplastiques ramollissent à la '
température de transition vitreuse pour laquelle ils peuvent être facilement déformés. Un
refroidissement en dessous de cette température montre que cet effet est réversible.
Les thermodurcissables comprennent les résines polyesters insaturées et les
résines époxydes, très souvent employées comme matrice dans les composites. Les
résines thermodurcissables sont composées de longues macromolécules possédant des
liaisons disponibles pour créer un réseau moléculaire tridimensionnel. Cette réaction est
déclenchée par des durcisseurs et par la température. Ces résines sont composées d'une
partie époxy et d'une partie durcisseur. Les durcisseurs contiennent des terminaisons
capables de s'additionner sur les cycles époxydes de la résine lors de la mise en œuvre ou
des fonctions catalytiques qui déclenchent la copolymérisation du système époxy. Cette
réaction s'effectue sans élimination, le polymère obtenu n'a donc qu'un retrait minime.
La résine époxyde parfaitement polymérisée fait partie de la famille des
thermodurcissables qui, par définition, sont infusibles et insolubles sous l'action de la
chaleur, des solvants ou des radiations. On peut se représenter la réaction d'une résine
époxyde bi-fonctionnelle et d'un durcisseur tétrafonctionnel classique par la Figure 1.5.
o~-----o
Résine époxy liquide
bi -fonctionnelle
+
)>--------c:(
Durcisseur standard
tétra-fonctionnel
11
Figure 1.5 Schéma du processus de polymérisation entre un époxy bi-fonctionnel et un
durcisseur tétra-fonctionnel.
Après quelques heures à température ambiante, le polymère possède déjà de
bonnes propriétés mécaniques. Des fonctions époxydes et aminés n'ayant pas réagi sont
encore présentes dans le réseau.
La Figure 1.6 montre le processus de polymérisation d'un système époxy [8].
Comme leur nom l'indique (thermodurcissable), ,,ces résines requièrent de la chaleur pour
polymériser. En fait, dans plusieurs cas, l'ajout d'un agent durcisseur joue le même rôle,
mais à la température de la pièce. C'est le cas des résines époxydes. Certaines résines
peuvent contenir de l'eau (phénoliques et aminoplastes). Lors du chauffage ou suite à
l'addition de l'agent durcisseur (ou de réticulation), la réticulation chimique entraîne la
formation d'un réseau tridimensionnel macromoléculaire. Ce réseau grandit de façon
linéaire d'abord, en formant de petits agrégats, comme des îles, lesquelles grandissent en
fusionnant des agrégats avec d'autres agrégats ou en accumulant du monomère. La
fraction en volume de ces agrêgats augmente jusqu'à une valeur critique (<Pc) où il y a
formation d'un macro-agrégat qui n'est limité en dimension que par les dimensions du
12
contenant (moule). C'est ce qu'on appelle le point de percolation. Ce phénomène de
formation d'agrégats est montré dans la Figure 1.6. La résine passe d'un état liquide
composé de macromolécules indépendantes à un état solide ayant une structure
moléculaire tridimensionnelle. Dans la Figure 1.6(a), les monomères s,?nt présents de
façon individuelle: on peut voir que certains sont bi-fonctionnels et d'autres tri
fonctionnels. En (b), plusieurs amas se sont formés. La conséquence première est un fort
accroissement de la .viscosité. En (c), la limite de percolation a été atteinte et en . (d) le
réseau est complètement réticulé. Quelque part entre (b) et (d), on atteint le point de gel,
lequel a différentes définitions. Souvent, on le considère atteint lorsqu'une bulle d'air ne
peut plus se déplacer dans le milieu. TI est donc possible d'observer le point de gel surtout
à l'aide de mesures rhéologiques.
(~~ .. -/---< ). ... ~ ).~).., )~ y'o( r-' }>---{ ..-.... ~
(d) (c)
,.
Figure 1.6 Modifications irréversibles de la structure d'une résine thermodurcissable par
réticulation. (a) monomères, (b) plusieurs agrégats moléculaires se sont formés, (c) la
limite de percolation et (d) le réseau complètement réticulé [9].
13
Une autre propriété de ce milieu est la température de transition vitreuse 9u Tg.
Pour le milieu réactionnel, Tg existe et il est défini. Notons qu'il n'y a pas de fraction
cristalline, comme c'est souvent le cas pour les thermoplastiques. Pour le milieu sur la
Figure 1.6(a), la Tg serait très basse, bien en deçà de la température de la pièce. Avec
l'augmentation de la taille et de <l> des agrégats, Tg augmente aussi jusqu'à passer par la
température de la pièce et cette augmentation continue jusqu'à ce qu'on ait un état tel
qu'en Figure 1.6( d). Souvent, à ce point, la Tg n'est plus détectable puisqu'elle se situe au
delà de la température de décomposition de la résine. Celle-ci sera donc toujours sous
forme vitreuse. Par contre, si ce point n'est pas atteint, on n'a qu'à réchauffer la résine
pour l'obtenir sous forme caoutchouteuse.
U ne autre différence de propriété importante des résines aux étapes intermédiaires
de prise allant de la Figure 1.6(a) à (c) est que la résine est complètement soluble en (a),
partiellement soluble ou soluble dans des solvants agressifs en (b), ou seulement
gonflable en (c). Généralement, en (d) la résine n'est ni gonflable, ni soluble. Ceci est en
fait ce que l'on demande souvent à un bon adhésif. E~ (b) et (c), on peut même effectuer
des extractions sur la résine. On dit alors que l'on détermine sa fraction soluble.
Gillham et al.[10] ont largement étudié les phénomènes de réticulation et ont
établi les diagrammes d'état Temps-Température-Transformation (TTT) [10-11]. Ces
diagrammes permettent de suivre l'évolution du -système (transition vitreuse) en fonction
du temps et de la température de réticulation comme présenté dans la Figure 1.7.
14
" " " Élastomère
Sol/Gel' Caoutchouc
gel Tg
TEMPS
Figure 1.7 Les diagrammes d'état Temps-Température-Transformation (TTT) [10].
Gillham et al.[lO] distinguent deux étapes importantes au cours de la cuisson:
• la gélification qui correspond à la formation d'un réseau tridimensionnel infini
et marque le passage de l'état liquide à l'état caoutchouteux, et
• la vitrification qui se produit lorsque la température de transition vitreuse du
système devient égale à la température de cuisson. Le système passe de l'état liquide ou
caoutchouteux à l'état vitreux, ce qui s'accompagne d'une chute importante de la
mobilité moléculaire et, par conséquent, d'un arrêt des réactions chimiques.
Dans ce diagramme généralisé (Figure 1.7), le temps requis en mode isotherme
pour atteindre le point de gel et l'état vitreux est représenté sous forme graphique en
fonction de la température. Sous la température de transition vitreuse (T gO), les réactions
de réticulation sont très lentes: on peut donc entreposer l'adhésif non réagi à ce stade.
Entre T gO et Tg, la résine va réagir continuellement jusqu'à ce que sa Tg, qui augmente
continuellement, coïncide avec la température de travail. Il en résulte une transformation
de la résine, initialement sous forme de liquide visqueux composé de molécules longues
et indépendantes, en solide ayant une structure tridimensionnelle. Cette réaction est
15
irréversible. Puisque la réaction est thermoactive, les résines thermodurcissables doivent
être conservées à de basses températures, souvent inférieure à -18°C. De plus, pour les
températures de réticulation élevées, il y a compétition entre la polymérisation et la
dégradation thermique. Les mécanismes réactionnels gouvernant le processus de
réticulation sont complexes et dépendent des conditions de température, des proportions
des différents intervenants chimiques et de la présence ou non d'un catalyseur. Les
différentes réactions chimiques envisageables sont:
• attaque nucléophile de l'amine primaire (R-NH2) sur le cycle époxyde,
• attaque nucléophile par l'oxygène du groupement hydroxyle (-OH) sur le cycle
époxyde,
• attaque nucléophile de l'amine secondaire (RR' NH) sur le cycle époxyde,
• attaque nucléophile de l'oxygène d'un cycle époxyde sur un autre cycle
époxyde.
Différentes études résumées p~lf Wright [12] concluent que la réaction principale
est l'attaque nucléophile d'un groupement amine primaire sur le cycle oxiranne
(époxyde) tant que la température de transition vitreuse du réseau formé reste inférieure à
celle de réticulation (vitrification). Passé ce stade, la mobilité moléculaire est faible et la
réaction hydroxyle/époxyde devient majoritaire. Les réactions époxyde/époxyde et amine
secondaire/époxyde sont quasiment inexistantes. Néanmoins, la contribution de" chaque
type de réaction à la structure du réseau final dépend fortement des compa"sitions relatives
de chacun des constituants.
Morgan et al.[13] observent que la Tg la plus élevée d'un mélange TGMDAIDDS
est obtenue pour un taux de durcisseur qui implique théoriquement que seulement la
moitié des cycles oxirannes ont réagi au cours de la réticulation. Ils en concluent que les
réactions secondaires jouent un rôle important lors de la réticulation, ce qui permettrait
d'expliquer qu'un réseau, qui devrait être aussi mal réticulé, possède des propriétés
mécaniques remarquables.
Les résines époxydes sont souvent employées pour les composites à haute
performance, car leur retrait est nettement inférieur à celui des polyesters. De plus, leur
adhérence, leur résistance mécanique et leur résistance chimique sont plus élevées. Leur
16
structure contient le groupe époxyde (Figure 1.8). il comprend deux atomes de carbone et
un atome d' ox ygène insérés dans une chaine moléculaire.
Figure 1.8 Le groupe époxyde.
Le groupe époxyde est très réactif. Le plus employé est le groupement
glycidyléther présenté dans la Figure 1.9.
H H2 H2C-C-C-Q-Ar(R)
\/ Q
Figure 1.9 Le groupe glycidyléther.
La résine cOminercialement la plus importante est le diglycidyléther du bisphénol
A (DGEBA) montrée sur la Figure 1.10. Son nom est l'éther diglycidyl du bisphénol-A,
le DGEBA (n=O). il est produit en réagissant un "bisphénol A", le 2,2'-diphénol-iso
propylidène, avec l'épichlorohydrine. Ce produit peut réagir de nouveau avec le DGEBA
pour faire une oligomère.
. /0\ -o-CDH3 OH -o-CDH
3 /\ H C-CH-CH 0 f ~ t f ~ O-CH -tH-CH 0 f ~ t f ~ O-CH -CH-CH
2 2 _1_ 2 2 _1_ 2 2
C~ C~ , n
Figure 1.10 Le diglycidyl éther du bisphénol-A.
Le nom commercial en fonction de la valeur de « n » est présenté dans le Tableau
1.2 pour quelques résines à base de diglycidyléther du bisphénol A (DGEBA).
17
Tableau 1.2 Nom commercial pour quelques résines à base de diglycidyléther du
bisphénol A en fonction de la valeur de n [8].
n
o (DGEBA)
2-3
5-6
Nom commercial
Ciba-Geigy Araldite 6004, Dow DER 332, Shell Epon 828, BE 188
Ciba-Geigy Araldite 6071, Dow DER 661, Shell Epon 1001
Ciba-Geigy Araldite 6084, Dow DER 664, Shell Epon 1004
La valeur de n indique, en moyenne, le nombre de fois que le groupement entre
crochets est répété. Pour que la résine soit liquide à la température ambiante et utilisable
pour l'imprégnation des fibres, «n » doit être inférieur à 1. Les résines époxydes ayant
une valeur de n supérieure à 1, par exemple les résines .réticulées avec des amines
aromatiques, peuvent être utilisées pour les matériaux composites, mais elles doivent être
chauffées pour abaisser leur viscàsité. Pour augmenter la température maximale en
service, des époxydes tels que la résine tétraglycidylamine (TGMDA) sont utilisées.
Leurs valeurs de n sont supérieures à 2 et ces systèmes sont plus résistants à la
température et peuvent être utilisés jusqu'à 175°C [14].
Les catalyseurs employés avec les résines époxydes appartiennent à trois familles:
les amines, les anhydrides et les agents catalytiques. Les amines peuvent être aliphatiques
et aromatiques. Les premières peuvent être utilisées à la température ambiante pour la
fabrication par moulage; tandis que les amines aromatiques peuvent être utilisées pour
l'enroulement filamentaire et la fabrication des pré-imprégnés. Les amines aromatiques
sont plus lentes à réagir à la témperature de la pièce, mais elles sont plus rapides à haute
témperature. Elles sont donc plus populaires.
Les anhydrides sont souvent choisis pour des applications qui demandent des
durées de réticulation longues. Cette famille de catalyseur requiert une température
élevée pour déclencher la réticulation, généralement 180°C [15]. Les agents catalyseurs
appartiennent à un groupe de produits connus sous le nom d'acides et bases de Lewis et
requirent également une température d'environ 180°C pour déclencher la réticulation. Le
Tableau 1.3 en présente quelques uns.
18
Tableau 1.3 Quelques agents réticulants pour les résines époxydes [9].
Durcisseurs amines aliphatiques:
Éthylènediarnine (EDA)
Diéthylènetriamine (DETA)
Triéthylènetétramine (JETA)
Hexaméthylènediamine (HMDA)
Dicyandiamide (dicy)
Durcisseurs amines aromatiques:
m-phénylènediamine (mPDA)
4,4'-diaminodiphénylméthane
(méthylènedianiline, MDA)
Diarninodiphénylsulfone (DDS)
Durcisseurs polyamides:
Résines General Mills Versamid R
Durcisseurs acide anhydride:
Anhydride hexahydrophtalique
(llliPA)
Anhydride tétrahydrophtalique
de méthyle (MTHP A)
Dianhydride pyromellitique
(PMDA)
Catyliseurs amines tertiaires:
BenzylméthyIarnine
Tris- 2,4,6-diméthyIaminométhyl
phénol
H2N -(CH2)2-NH2
H2N -(CH2)2-NH -(CH2)2-NH2 H2N -(CH2)2-NH -(CH2)2-NH-(CH2)2-NH2
H2N -(CH2)6-NH2 H2N -C-NH-C==N
Il NH
NH2
H2N-< S
19
Plusieurs . auteurs ont décrit les réactions époxyde-amine [16]. La polymérisation
engendrée est une polyaddition (Figure 1.11). Le doublet de l'azote de l'amine primaire
attaque le carbone le moins encombré de l'époxyde. TI y a formation d'un amino-alcool
(réaction (a)).
L ' amine secondaire peut réagir à son tour sur une autre fonction époxyde, pour
donner une amine tertiaire (réaction (b)). Les deux réactions (a) et (b), ont des constantes
de vitesse (k5 et k6) différentes. Habituellement, elles sont complètes dans le sens k (pas
de réaction inverse k'), lorsque le nombre de fonction époxyde est égal ou inférieur au
nombre d'hydrogènes des' fonctions amine.
De plus, si dans le cas des amines aromatiques, la réactivité de l'amine secondaire
est inférieure à celle de l'amine primaire, dans le cas des amines aliphatiques, les
réactivités des deux hydrogènes se trouvant sur l'azote sont équivalentes.
Quant à la réaction (c) entre un alcool et une fonction époxyde, elle n'a lieu qu'en
cas d'excès d' époxyde ou lorsque qu'elle est catalysée par des groupes hydroxyles
(présents dans l'eau, les alcools, les acides, etc.). Dans le cas général, cette réaction n ' a
donc pas lieu.
R:L- r H2 + R-HC-CH~ / . ~
o -.
1r'5
R- CH-CH -N-R' + R- C- CH2
1 1 \/
OH H 0
~r ....
--. CH--
1 OH
R-HC- C ! o
R-C - CH - -R" 1 2 1
OH
R- CH- CH2
1
OH
CH--
1
Q- CH2 CH- R 1
OH
a)
(b)
Figure 1.11 Mécanismes pour les réactions époxyde-amine. (a) la réaction entre l'amine
primaire et l'époxyde, (b) la réaction entre l'amine secondaire et l'époxyde, (c) la
réaction entre un alcool et l'époxyde [9].
20
Malheureusement, la dissolution des amines dans l'eau modifie considérablement
le comportement de celles-ci vis-à-vis des différentes surfaces: la forme des diamines
varie suivant le pH (Figure 1.12, (1)). En milieu organique aussi, la forme des diamines
varie suivant leur concentration dans le solvant organique (Figure 1.12, (2)). TI est donc
préférable d'étudier directement le comportement d'amines pures lors de l'application sur
les différentes surfaces. Les équations de dissociation des diamines en milieux aqueux (1)
et organiques (2) sont données à la Figure 1.12 [2].
(1 )
.-------~-------------------. 1 H a g t tt
Figure 1.12 Équations de dissociation des diamines, (1) en milieux aqueux et (2) en
milieux organiques [17].
Quelques caractéristiques principales des résines sont indiquées dans le Tableau
1.4. On peut observer que les résines époxydes ont de très bonnes propriétés mécaniques.
21
Tableau 1.4 Quelques caractéristiques principales de résines [18].
P E G v (Ir "Tmax ad Résine
(kg/m3) (10-5 K-1) (GPa) (MPa) (-) (MPa) (OC)
Époxyde 1,2 4,5 1600 0,4 130 90-200 0,3-1 ,6
Phénolique 1,3 3 1100 0,4 70 120-200 1,0-2,3
Uréthane 1,1 0,7-7 - - 30 100 -
Polyester 1,2 4 1400 0,4 80 60-200 0,4-1 ,6
UF 1,2-1,5 6-10 - - 40-80 140 0,7-1 ,1
PF 1,1-1,3 3-4 - 0,36 35-60 80-300 -
pMDI 1,24 - - - - 230 -
Dans la Figure 1.13, les auteurs montrent les performances de quelques résines
qui sont utilisées d~ns des matériaux composites.
l\'lost 10 desinlble .----
8
6
4
2
Least 0 desll'3ble Sinoke
elnission
PbenoIic ' DEpoxy . __ Polyester • Silicone
Polymide
MaxiInwn so'engtb
Service telnp el'atm'e
Cost
Figure 1.13 Performances des résines les plus utilisées dans l'industrie [19].
1.3 Les fibres de renfort pour les composites
1.3.1 Introduction
22
Le Protocole de Kyoto sur les changements climatiques mondiaux a eu pour effet
d'accélérer la transition vers une économie durable et plus respectueuse de
l'environnement. Cette évolution s'effectue avant tout par un changement dans la
destination des plantes cultivées, de la consommation alimentaire à la production
d'énergie, et par le remplacement progressif des produits pétrochimiques par des
ressources renouvelables, telles que les cultures non vivrières. Étant une importante
ressource renouvelable, les fibres ligno-cellulosiques extraites des tissus végétaux sont
appel~es à jouer un rôle de premier plan dans cette transition.
23
Les marchés des plantes textiles, telles que l'abaca, la fibre de coco, le jute et le
sisal, ont subi une érosion sensible depuis l'introduction des fibres synthétiques. Des
créneaux commerciaux ont toutefois été maintenus et un certain nombre de nouveaux
marchés font leur apparition. Par exemple, on note: les matériaux composites renforcés
par des fibres naturelles pour l'industrie automobile, les matériaux de construction et les
géotextiles biodégradables, l'image écologique des fibres cellulosiques stimulant
l'innovation et le développement.
Les matériaux composites à matrice organique sont présents dans de nombreux
secteurs industriels: transport, nautisme, électronique, bâtiment, sports et loisirs, etc. Ils
bénéficient tous d'une croissance rapide et régulière due, entre autres, à la diversité de
leurs propriétés et de leurs procédés de transformation. Ces matériaux apportent de
nombreux avantages fonctionnels tels que la légèreté, la résistance mécanique et
chimique, la liberté de formes et un entretien réduit. Leur développement est notamment
alimenté par la diver~ité et l'innovation des systèmes de renforts qui présentent une
gamme de propriétés de plus en plus étendue grâce à l'utilisation de matériaux atypiques
et le développement de nouvelles structures.
Les composites sont des matériaux solides, inhomogènes et anisotropes,
constitués par l'association à l'échelle microscopique d'au moins deux composants aux
caractéristiques complémentaires. Cette association leur confère à l'échelle
macroscopique un ensemble de propriétés mécaniques ou physiques que chacun des
constituants pris seul ne possède pas. Les composites contiennent principalement deux
éléments qui sont le renfort et la matrice.
Le renfort constitue le squelette ou l'armature du composite et a pour fonction de
supporter l'essentiel de l'effort mécanique appliqué au matériau. La matrice doit lier les
renforts entre eux, les protéger du milieu extérieur et répartir la charge mécanique. Le
renfort se présente généralement sous forme fibreuse et se compose de' plusieurs
centaines, voire de plusieurs milliers de filaments de très petit diamètre (5 à 20 ~m). Sa
nature fibreuse permet d'obtenir un matériau anisotrope avec un renforcement dans des
directions préférentielles.
Les composites de grande diffusion, qui représentent environ 95% des composites
utilisés, possèdent un taux de renfort avoisinant 30% avec une utilisation majoritaire de
24
fibres courtes. Dans la plupart des cas, ces matériaux ne présentent pas de propriétés
anisotropes en raison de la nature du renfort utilisé. Les composites hautes performances
ont des taux de renfort plus importants, souvent supérieurs à 50% et contiennent plutôt
des fibres longues ce qui leur confère une anisotropie importante.
Les principaux matériaux actuellement utilisés comme renforts sont les fibres de
verre, d ' aramide et de carbone. D'autres fibres sont également commercialisées, mais
elles restent peu utilisées du fait de leur mise en œuvre plus complexe et de leur coût plus
élevé: fibres de bore, carbure de silicium, alumine, silice, zircone. Des renforts plus
atypiques tels que les fibres naturelles ou les fibres de basalte peuvent également trouver
leur place dans le renforcement des composites. TI faut noter que les fibres sont plus
résistantes que les matériaux dont elles sont constitués, dans la mesure où elles ont très
peu de dislocations.
Dans notre cas, on a utilisé différents types de fibres naturelles comme renfort
pour les résines époxydes. La classification des fibres naturelles est présentée dans la
Figure 1.14.
1
Fibres animales
1
Fibre de bois
1
Fibres nat ureDes
1
1
Fibres v égét ables
1
1
Fibres 1 libériennes
Fibres e1""1rades des
feuilles
Fibres extraites de poils
s éminanx des graines r/
lin chanv re jute kénaf ramie
f-sÎsal f-bana.nier r-paJmier
I-~oton 1 t kapok
Fibres minéraJes
Fibres agricoles
1
1
Fibres extraites de l'env eloppe
du fmit
Il
t coco 1
1
Fibres extrait es des tiges ou des
troncs
paille de blé paiDe de riz paiDe d ·orge bambou
Figure 1.14 Classification des différents types de fibres naturelles [20].
25
Une fibre est une matière très performante possédant une résistance à la rupture et
souvent des modules d'élasticité beaucoup plus élevés que ceux du I?ême matériau sous
sa forme massive. Sous la forme d'un filament, les propriétés d'un matériau sont
beaucoup plus proches des valeurs théoriquement possibles que sous toute autre forme de
matière. C'est en particulier le cas de la résistance à la rupture, qui n'est pas une propriété
intrinsèque, mais qui dépend des défauts présents à la surface ou dans le volume du
matériau et qui engendrent des concentrations de contraintes.
La probabilité de trouver un défaut de taille conséquente décroit avec le volume
de matériau considéré. Les fibres, employées comme renforts, ont un petit diamètre de
l'ordre de 1 0 ~m et il en résulte que pour une longueur donnée, leur volume reste petit.
Un assemblage de fibres est alors beaucoup plus résistant que le même volume de
matériau sous forme massive [21].
1.3.2 Les fibres de bois
Les fibres naturelles sont des structures biologiques principalement composées de
cellulose, hémicelluloses et de lignine .. Dans une proportion beaucoup plus faible, elles
contiennent aussi des extractibles, des protéines et certains composés inorganiques. TI
existe différentes classifications de ces fibres. Les fibres dures forment un groupe à part
entière qui représente environ 90% de la production mondiale.
La proportion d'holocellulose (cellulose, hémicelluloses) et de lignine varie
beaucoup selon les fibres naturelles Gute, bois, sisal, kenaf, etc.). Chaque fibre se
présente sous la forme d'un composite multicouches dans lequel la lignine joue le rôle
d'une matrice enrobant un élément structurant très rigide qu'est la cellulose .
. Contrairement aux autres composantes des fibres qui possèdent une structure
amorphe, la cellulose possède une structure en grande partie cristalline. La cellulose
cristalline est l'un des polymères ayant le module d'élasticité le plus élevé, soit environ
136 GPa à comparer au 75 GPa de la fibre de verre. Cette rigidité provient de la structure
cristalline qui suit un agencement supramoléculaire hélicoïdal très ordonné. li est
important de noter que cette structure moléculaire particulière entraîne lors d'une
élongation des fibres, un couplage torsion/traction qui peut avoir des conséquences sur
26
l'interface, sur la déformation ou sur les mécanismes de rupture du composite. À
l'intérieur de la fibre, les chaînes cellulosiques sont réunies en micro-fibrilles qui, en
s'agglomérant, forment des fibrilles sur plusieurs couches tel qu ' illustré sur la Figure
1.15.
.,.1Ii!!+----- PLANCHE
,..~~~ _____ STRUCTURE
ANATOMIQUE
~;~~',f:-- ··~J---------------- CELLULE
PAROI ~-------------------- CELLULAIRE
microfibrilles
S1 +S2+S3 : paroi secondaire P : paroi primaire LM : lamelle mitoyenne
Figure 1.15 Structure du bois (observations multi-échelles) [22].
L S3
Pour les fibres de bois, l'angle qui existe entre ces éléments très structurés et l'axe
de la fibre conditionne la rigidité de la fibre. Les liaisons hydrogènes qui s'établissent le
long et entre les chaînes cellulosiques sont à la base des bonnes propriétés des fibres
cellulosiques. Ce sont les différences constitutives ainsi qu'anatomiques qui vont donner
la grand~ variabilité des propriétés physico-mécaniques des fibres naturelles.
Un des aspects importants des fibres est leur grand degré de variabilité tant du
point de vue des propriétés que du point de vue · morphologique. Cette variabilité existe
27
entre les espèces, à l'intérieur d'une espèce, ainsi que pour un même individu. Le Tableau
1.5 rapporte des valeurs caractéristiques pour certaines fibres communes.
Tableau 1.5 Caractéristiques des fibres naturelles [23].
Longueur de
la fibre Facteur de Module de Déformation
technique Diamètre forme f/d traction maximale
Fibres (mm) (flm) (-) (GPa) (0/0 )
Coton 25 12 - 25 2000 6,0 - 10,0 6,0 - 8,0
Lin 4,0 - 8,5 12 - 30 1500 50 -70 1,3 - 3,3
Chanvre 5,0 - 40,0 16 - 50 550 - 960 30 - 60 1,7 - 2,7
Kenaf 2,5 - 4,5 14 - 33 - 60 1,7 - 2,1
Jute 2,5 5 - 25 110 20 - 55 1,5 - 2,0
Sisal 100 - 125 100 - 400 100 9 - 22 3,0 - 14,0
Banane 4,5 - 10 50 - 250 - 7 - 20 1,8 - 3,5
Abaca 60 et plus 50 - 280 - - 2,1 - 2,4
1.3.3 Les fibres de chanvre
La fibre de chanvre est une fibre naturelle d'origine végétale extraite de la tige
d'une plante portant le même nom (Cannabis sativa). Elle est constituée à 85% de
cellulose [24]. La fibre peut absorber jusqu'à 30% d'humidité sans coller à la peau et
retient 95% des rayons UV. Le chanvre absorbe plus d'humidité que le coton. Elle brûle
rapidement sans laisser de déchets. Les fibres ont une paroi plus épaisse que les autres
cellules et sont situées en périphérie des tissus conducteurs de la tige, comme chez le lin,
mais elles sont plus fortement lignifiées (voir Figure 1.16). En conséquence, la
dissolution des ciments pectiques par rouissage est incomplète et les fibres ne sont pas
totalement dissociées. Elles forment plutôt une étoupe grossière. Dans la Figure 1.17, on
présente une image de la fibre de chanvre par microscopie électronique.
28
Figure 1.16 Coupe transversale de tige de chanvre [24].
Figure 1.17 Faisceau de fibres de chanvre en coupe transversale par microscopie
électronique à transmission [25].
1.3.4 Les fibres de lin
Le lin cultivé (Linum usitatissimum) est une plante annuelle de la famille des
Linaceae cultivée principalement pour ses fibres, mais aussi pour' ses graines
oléagineuses. Les fibres de lin, longues de 40 à 50 mm, sont contenues dans des faisceaux
29
fibreux situés à la périphérie de la tige peu ramifiée et longue de 80 à 120 cm [25]. Les
fibres sont deux à trois fois plus résistantes que le coton. Le lin a une faible élasticité,
mais est hautement absorbant et bon conducteur de chaleur.
La formation des fibres se fait tput au long de la croissance de la plante en
périphérie des tissus conducteurs. Une tige comporte 30 à 40 faisceaux de fibres
disposées longitudinalement. Un faisceau est composé de 10 à 40 fibres et peut renfermer
une certaine proportion de lignines (2 à 5 % de la matière sèche) déposées en fin de
maturation essentiellement au niveau des lamelles moyennes. Chaque fibre est une seule
cellule très allongée de 6 à 10 cm et d'un diamètre de 7 à 40 ~m, composée de 70 à 80%
de cellulose [25]. La croissance des fibres se fait en deux temps:
• une croissance primaire apicale qui amène la fibre à sa longueur définitive,
• une croissance secondaire qui augmente l'épaisseur de la fibre qui devient
beaucoup plus épaisse qu'une fibre de coton. Au cours de la synthèse de cellulose,
le lumen se réduit progressivement. Les dépôts récents de cellulose (à l'intérieur)
sont fortement réactifs aux tests des polysaccharides. Le lumen étant plus étroit, la
fibre ne vrille pas.
La Figure 1.18 présente trois étapes différentes de la tige de lin (12 jours, 50 jours
et 98 jours). Ces coupes transversales montrent l'épaississement de la paroi des fibres en
fonction du nombre de jours de maturité de la plante et la disparition presque totale du
lumen [25].
30
Figure 1.18 Trois étapes différentes de la tige de lin (12 jours, 50 jours et 98 jours) en
coupes transversales [25].
La synthèse de cellulose est maximale au moment de la floraison et se poursuit
pendant la fructification. Elle dure de deux à quatre semaines pour une fibre donnée.
Dans la Figure 1.19, on présente une image d'une fibre de lin par microscopie
électronique.
Figure 1.19 Faisceau de fibres dans une tige de lin, coupe transversale par microscopie
électronique à transmission [25].
31
1.3.5 Les fibres de sisal
Le sisal (Agave sisalana) est une plante de la famille des Agavaceae originaire de
l'est du Mexique où on la trouve également sous l'appellatiori de henequen. Le sisal est
également le nom de la fibre extraite des feuilles de cette plante. Très résistante, cette
fibre sert à la fabrication de cordage, de tissus grossiers et de tapis. L'origine de son nom
provient de la ville de Sisal située dans la province du Yucatan au Mexique. C'est à partir
du port de cette ville qu'étaient expédiées les fibres dans le monde entier.
Lors de la période faste, l'exploitation des plants de sisal se faisait sous le contrôle
des grands propriétaires d'haciendas. Les cheminées de ces grands domaines tranchent
encore par endroit dans la vaste plaine · du Yucatan: La culture de cette plante est
désormais anecdotique mais on trouve au Mexique des articles artisanaux exclusivement
fabriqués à partir de cette fibre et dont les plus connus sont les hamacs ou les cloches de
sisal ou de parasisal pour fabriquer les chapeaux.
La production mondiale de sisal est estimée à 300000 tonnes. Les principaux
producteurs sont le Brésil (120000 tonnes), la Tanzanie (30000 tonnes) et le Kenya
(25000 tonnes). Le Brésil exporte près de 100000 tonnes de fibre brute et de produits
manufacturés, le Kenya 20000 tonnes et la Tanzanie 15000 tonnes.
1.3.6 Avantages, désavantages et applications des fibres naturelles
Une étude comparative des incidences environnementales du polypropylène (PP),
du polyéthylène haute densité (HDPE), du polyuréthane (PU) et de celles des produits à
base de fibres naturelles a été conduite et les résultats obtenus examinés, en vue
d'identifier les mesures de suivi à prendre. Cette analyse a permis de conclure que la
production de fibres naturelles requiert moins de 10% de l'énergie qui est employée pour
produire des fibres de polypropylène (environ 90 Gl/tonne). Lorsque les calculs tenaient
compte de l'utilîsation d'engrais, les besoins énergétiques pour la production de fibres
32
naturelles passaient alors à 15% environ de l'énergie nécessaire pour la fabrication des
fibres de polypropylène [8].
D'autre part, l'impact des déchets produits (pollution de l'air ,et de l'eau, ainsi que
les déchets solides) s'est révélé supérieur pour les produits synthétiques. TI est apparu que
la pollution de l'eau dérivant de la production des fibres naturelles était relativement
importante, mais constituée de composés biodégradables, contrairement aux rejets de
produits chimiques persistants, notamment de métaux lourds, dans les effluents des usines
chimiques. Le traitement des eaux usées résultant de la fabrication des fibres naturelles
serait donc techniquement plus aisé et moins onéreux. Au stade de la production des
produits finis, il est également apparu que la demande d'énergie était plus élevée pour la
transformation des fibres synthétiques, tandis qu'au niveau du fini et de la teinture,
l'impact était équivalent. Dans le Tableau 1.6, on présente une comparaison entre les
avantages et les désavantages d'utiliser des fibres naturelles comme renforcement pour
différents polymères.
33
Tableau 1.6 Comparaison entre les avantages et les désavantages d'utiliser des fibres
naturelles.
Avantages Désavantages
• Coût plus faible • Mauvaise stabilité dimensionnelle
• BiodégradablelRecyclable • Craquage/Fissuration
• Pas d'émission de CO2 • Faible résistance à l'humidité
(absorption)
• Rigidité et insonorisation • Faible adhésion interfaciale
• Faible besoin en énergie pour la • Interactions hydrophiles -
production hydrophobes
• Grande résistance à la rupture • Conditions d'opérations limitées
en température
• Renouvelables • Absorption de l'eau
• Excellent module spécifique • Qualité variable
• Abrasion réduite de l' outillage • Biodégradables
En règle générale, la plupart des avantages environnementaux des produits à base
de fibres s'acquièrent au cours de la phase d'utilisation. Le poids réduit des composites à
base de fibres naturelles dans les applications automobiles, contribue davantage à la
protection de l'environnement en termes d'économies de carburant qu'en termes
d'économies d'énergie durant la phase de production des pièces automobiles.
Lorsque la même résistance mécanique est requise, l'avantage d'utiliser des fibres
cellulosiques plutôt que des fibres de verre dans un matériau composite peut être perdu
parce que les éléments de construction doivent alors être plus lourds. Toutefois, lorsque la
34
même rigidité est demandée, les fibres ligno-cellulosiques permettent d'obtenir des
éléments de construction plus légers, grâce à leur plus grande résistance spécifique. Cela
étant, il faut noter que l'importance des avantages pour l'environnement est fonction du
type d'application. L'avantage écologique dérive généralement d'un effet secondaire, tel
que la réduction de poids, et n'est pas lié à l'origine "verte" de la fibre. TI n'est donc pas
possible de donner une indication générale des avantages résultant de l'utilisation de
p~oduits à base de plantes textiles.
35
1.4 Objectifs du travail
Pour faire face à la forte compétition, l'industrie des matériaux plastiques essaie
par divers moyens d'augmenter le ratio performance/coût de ses produits. Le
renforcement des résines époxydes avec des fibres naturelles permet d'économiser du
polymère et d'utiliser des matières premières moins coûteuses comme les fibres
naturelles, tout en conservant de bonnes propriétés mécaniques.
Le renforcement de composites avec des fibres naturelles comme les fibres de
bois, chanvre, lin et sisal est un sujet particulièrement intéressant puisque ces composés
ont une faible valeur commerciale pris individuellement et une seconde utilisation
contribuerait à résoudre certains problèmes au niveau environnemental. Par ailleurs, les
fibres recyclées permettent d'effectuer des économies substantielles de résines époxydes.
L'objectif principal du présent travail est donc d'étudier l'effet du renforcement
des fibres naturelles sur les propriétés mécaniques de résines époxydes. Les pièces
doivent avoir de bonnes propriétés mécaniques, être uniformes et reproductibles. Les
résines époxydes utilisées dans cette étude sont obtenues par la réaction entre le bisphénol
A et l'épichlorohydrin (diglycidyl éther du bisphénol A) (Résine Epon 828, Résine BE
188). Comme agent réticulant, on utilise une polyamine à base d'eau (Anquamine 401,
Anquamine 701) qui est moins toxique, car on n'utilise pas de solvant organique. Comme
renforcement, différents types de fibres naturelles (bois, lin, sisal et chanvre) seront
testées avec différentes concentrations et longueurs. Aucun agent de modification
d'interface n'a été ajouté afin de limiter l'étendue de cette étude.
Un pré-mélange entre la fibre naturelle et les résines époxydes sera effectué à
l'aide d'un bécher et d'une spatule. Par la suite, on effectue une caractérisation complète
des échantillons produits en termes morphologique (densité), taille de fibre et propriétés
mécaniques (flexion, torsion et tension). Ces mesures permettront de définir les relations
entre la structure et les propriétés.
En fait, quels que soient les progrès envisageables, introduire des fibres végétales
36
dans une matrice de synthèse ne peut donner que des résultats limités, en termes de
performances et surtout de recyclabilité. C'est pourquoi, pour nombre de chercheurs et
d'industriels, la solution à long terme est du côté des composites d'origine 100%
renouvelable.
Compositec [26], une compagnie européenne, veut lancer un projet de recherche
sur un composite à base de résine thermodurcissable d'origine biologique (issue d'une
huile végétale). Une autre compagnie Techni-Lin, tout en continuant à améliorer la
liaison entre ses fibres de lin et les fibres thermoplastiques de synthèse aujourd'hui
mélangées dans les feutres, affirme qu'elle a mise au point un non-tissé 100% d'origine
renouvelable, en mélangeant le lin avec d'autres fibres naturelles.
Au niveau européen, l'objectif du projet Biocomp, qui réunit 25 laboratoires et
PME sous l'égide du Fraunhofer Institut (Allemagne), est d'aboutir à la fin de 2008 à des
pièces de ~émonstration combinant des fibres végétales et des polymères eux aussi
d'origine naturelle. L'une des raisons de cet engouement pour le 100% renouvelable est la
disponibilité de polymères d'origine végétale à l'échelle industrielle [26]. L'amidon
plastifié et )'acide polylactique (PLA) sont les deux polymères d'origine renouvelable
disponibles sur "le marché. Quelques industriels, et non des moindres, ont déjà
expérimenté l'utilisation de composites combinant des fibres et des résines d'origines
végétales: Toyota a installé sur certains de ses modèles un cache de roue de secours en
PLA/fibres de kenaf. D'autres applications sont en cours de développement.
37
Chapitre 2
Revue de la littérature
Dans ce chapitre, une revue de la littérature scientifique sur le sujet des résines
époxydes renforcées est présentée. Une brève revue sur différents types de renfort est
présenté avant de s'attaquer au cas des fibres naturelles. On rapporte les différentes
techniques de fabrication, les caractérisations morphologiques et les propriétés
mécaniques des composites renforcées avec des fibres naturelles.
2.1 Résines époxydes renforcées avec des nanoparticules
Wetzel et al. [27] ont étudié le comportement à la rupture et les mécanismes de
durcissements pour les époxydes renforcés de nanoparticules. Les matériaux de cette
étude ont été une résine époxyde et un cyclo-amine comme durcisseur. Les
nanoparticules étaient: 1) de l'oxyde d'aluminium (AI20 3) avec des tailles d'environ 13
nm et sans traitement de surface et 2) du dioxyde de titane (Ti02) ayant un diamètre entre
200 et 500 nm. Les spécimens ont été testés en flexion à une vitesse de 2 mm/min et la
Figure 2.1 montre la dépendance entre le contenu de nanoparticules et les propriétés en
flexion. Les deux types de remplissage (A120 3 et le Ti02) améliorent le module et la
résistance avec la concentration en nanoparticules. Néanmoins, les augmentations sont
faible, de l'ordre de seulement 16% pour le module en flexion et de 28% pour la
résistance à la flexion. ils ont constaté que la présence de nanoparticules dans les résines
époxydes induit divers mécanismes de fracture comme la déflexion des fissures, la
déformation plastique et le crack pinning.
.------~-~
4000
'i' At
3500, (1)'
~ ~
" 3000' 0
e 250'0 , ~ ~
2000'
or. o
-' 0- · TIO 300 nm li
---.- A120 ,. 13 nrn
. . . . . '. . . . . . =r 11 2 3 4 56 7 8 9 10 111 Nanoparticl Content [vol. 0/0 ]
38
180~~~~~~~~~~~~~~
cu 1'70
;~160 "; '150 m 140 ai 130 1;;.
,u; 120 ~ 110
~ 100 .! 90 'LL 80
01". o
.. i i 1
2 3 4 5 Nanoparticle Content [voLo;o)
Figure 2.1 Module en flexion (gauche) et la résistance à la flexion (droite) des époxydes
nanocomposites en fonction de leur contenu en nanoparticules [27].
2.2 Résines époxydes renforcées avec des fibres de verre
Naceri et al.[28] ont analysé le comportement mécanique d'un stratifié composite
constitué de 12 couches de tissus à ~mure de fibres de verre E dans une résine époxyde
conditionné en milieu humide à différents taux d'humidité relative: 0,60 et 96% pour une '
température de 60°C. La fraction volumique des fibres a été de 55%. Le Tableau 2.1
présente les résultats expérimentaux obtenus pour des essais de traction uniaxiale réalisés
dans le sens « chaîne» et «trame ». On remarque une diminution significative de l'ordre
de 45% en moyenne de la contrainte axiale et de la déformation longitudinale de rupture
(O'rup et Erup), des échantillons conditionnés à 96% d'humidité relative pendant l'époque 1 et
II (plateau de saturation et vieillissement). Bien qu'il y ait une dispersion non négligeable
des résultats expérimentaux, on peut conclure que l'absorption d'eau se tr,aduit par une
diminution des caractéristiques mécaniques ultimes, cette chute étant surtout importante
pour les échantillons conditionnés à 96% d'humidité relative. Une reprise en eau entraîne
nettement une réduction de la résistance. Les échantillons secs sont toujours plus
résistants et que les échantillons conditionnés à 96% d'humidité relative sont toujours
plus fragiles.
39
Tableau 2.1 Résultats expérimentaux obtenus en environnement contrôlé à différents
taux d'humidité relative (0, 60 et 96% RH) à 60°C de l'essai de traction uniaxiale réalisé
dans le sens chaîne et trame [28].
RII (%) (onclit- Et (lrnp ErUp là 60 Oc hygroflh (GPa) (MPa) (%)
IChaÎne 0 Sec 27]82 549 2} 18
Sec: ChaÎne Epoq 1 27 ~5 5210 2}47
·60 Humide Epoq 27J35 500 2,19 IChaÎne Epoq 1 27]0 J 3 1131
96 Humide Epoq n 216/13 J 0 1}26 Trame
0 Sec 27/37 513 2.152 Sec
Trame Epoq 1 2'1/13: 4716 2148 60
Humide Epoq Il 2'1/05 437 21 15 Trame Epoq 1 216/42 293 1J34
96 Humide Epoq n 2.5/53 283 1J29
2.3 Résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles
Gassan [29] a étudié le vieillissement des composites qui se caractérise par
l'apparition de fissures. Ces fissures dépendent de la ductilité et du type de matrice, ainsi
que du module de la fibre. L'humidité se disperse dans le composite et augmente les
fissures entre les fibres et la matrice. Les mesures montrent une réduction progressive de
la résistance et de la dureté avec une augmentation d'humidité dans le matériau.
40
L'effet de l'humidité influence:
a) La viscoélasticité de la matrice chargée de fibre;
b) L'atténuation de la thermoélasticité;
c) L'atténuation de la friction de Coulomb due au glissement;
d) L'énergie de dissipation et l'amorce de fissure ou du délaminage.
Gassan [29] a aussi étudié les effets d'adhésion entre la fibre et la matrice sur les
propriétés du vieillissement. La Figure 2.2 montre l'effet du type de fibre Uute ou lin) et
leur différence au niveau des propriétés mécaniques sur la courbe d'amortissement en
fonction des cycles de charge maximale appliquée pour les composites à base d'époxydes
renforcées avec des fibres unidirectionnelles. La charge est d'environ 45 N/mm2 pour des
composites époxydes-jute. Au-dessus de cette charge critique, la SDC (le déficit
d'énergie/l'énergie de pression) augmente continuellement en raison de la propagation
des dommages jusqu'à ce que la rupture se produise à un chargement cyclique maximale
de 120 N/mm2 de la SDC (la courbe de charge unidirectionnelle du composites époxy
lin). Elle semble être assez similaire à celle du composite époxy-jute, mais avec des
valeurs nettement plus élevées de SDC. Les différences observées dans le comportement
des matériaux pour le composite époxyde-jute et pour le composite époxyde-lin, peuvent
être le résultat de la structure de la fibre dans le comportement sur la pression. li est bien
connu que le vieillissement des fibres dans le composite augmente avec la diminution du
module des fibres et que, si la matrice a un moindre défaut, le dommage de la matrice se
produira dans les composites unidirectionnels dans le sens des fibres. Comme conclusion,
on peut dire que la résistance des fibres et le module influence la charge critique pour les
dommages, le taux de propagation et la charge maximale dans les composites
unidirectionnels.
41
0.2 UnidlfeCtlonam epoxy DaSéO
~ composites
0 .15 • !-IID< f lDllrs (\If O.34} ~ • u o te fibers Cv" - 0.36) ...
~ Ofl
0
~ .. ~ !E
!! 0,05 fA
0 0 ~u 4U W tiU 100 ~u 14U
AppIied ax. L.oad ri mm21
Figure 2.2 Amortissement spécifique en fonction de la charge maximale pour le lin et le
jute pour des conditions de 104 cycles de charge / niveau de charge [29].
Varada Rajulu et al.[30] ont étudié la résistance à la traction de l'époxyde renforcé
avec Hildegardia populifoUa. Le tissu de Hildegardia (0,1 mm d'épaisseur) a été extrait
des branches de son arbre. Une certaine quantité de tissu a été traitée avec 2% de solution
aqueuse de NaOH pour éliminer l'hémicellulose et d'autres matières grasses. Certains
tissus ont été pulvérisés avec 1 % de silane comme agent de couplage dans l'acétone et
séché. Le tissu a ensuite été enduit avec un rouleau de résine époxy. Les spécimens ont
été testés en tension à une vitesse de 50 mm/min. Les propriétés mécaniques avec ou sans
agent de couplage sont présentées dans le Tableau 2.2. Les résultats montrent clairement
que toutes les propriétés augmentent avec le traitement.
42
Tableau 2.2 Effet du traitement chimique sur les propriétés en traction pour les tissus de
Hildegardia populifoUa en renfort pour les résines époxydes [30].
Ultimate Tensile Elastic Elongation at
Hildegardia Strength (MPa) Modulus (GPa) Break (0/0)
Fabric WOCA WCA WOCA \VCA WOCA \VCA
Untreated ï5 .8 2.45 3 .1 2% NaOH treated 112.1 2 .70 ' 4 .4 Untreated ana 6'9 .9 .8 2.4 2.03 3 . 3.6 QPO~ oCC!AtAc1
2% NaOH treated 129.4 100.2 2.75 . 2.1 3 7.6 5.0 and epoxy ooated
WOCA:. Wih out ooupling agent" WCA:. With coupling agent.
Sapuan et al.[31] ont déterminé les propriétés mécaniques de l'époxyde renforcé
avec des fibres de noix de coco. Un ratio résine:durcisseur de 5: 1 a été utilisé et les
composites contiennent 30% de fibres. Cette étude se composait de trois types de
stratifiés. Les résultats des tests de traction et de flexion sont présentés dans le Tableau
2.3. Les résultats indiquent que la résistance à la traction et à la flexion de l'époxyde
renforcée avec des fibres de noix de coco a été plus élevée dans le cas de traitements avec
du NaOH, mais a diminué avec la présence des agents de couplage.
Tableau 2.3 Résistance à la traction et à la flexion de composites renforcés avec des
fibres de noix de coco [31].
Mean Standard deviation Min ~1.ax
Tensile te t of tmn samples of spathe (IFS) t\1aximum load 57.40 17.30 40.00 81. 0 ~train al. break % 2.44 0.77 1.22 3._8 Stress al maXIDlllm load Cf'.1Pa ' 1.65 0.50 1.15 '"',
_ .~ -'
Tensile test of '5pathe-fibre reinforced composi:es (n=3) ~1aximwl1 load (kN) L~5 0.27 1.05 1.
r _
Strain al. break (%) 0.009 0.002 0.008 0.01 tœss at maxÎmlUll load (11Pa) 9.33 1.98 7.87 11.-9
Flexural test of spathe,-fibre reinforc.ed c.omposites (n=S) r..1aximwn load (N) 183.3 65.2 106.8 ', . .19.9 Strain al bre.ak 1 %) 0.102 0.018 0.08 0.12
tress at maxÎmlUll load ~Pa 41 98 1 '".64 _ -.64 67.17
43
Maleque et al.[32] ont testé la résistance à la traction des composites d'époxyde
vierge et renforcé avec des pseudo-tiges de banane. Les fibres séchées étaient tressées
dans un tissu qui a été utilisé pour renforcer la résine époxyde. Les tests de résistance à la
traction montrent pour les résines époxydes des valeurs de 24 MPa et pour la résine
renforcée avec des fibres de banane de 46 MPa donnant une augmentation de 90% pour la
résistance à la traction. Pour le module de Young, la résine vierge a une valeur de 1390
MPa alors que l'époxyde renforcé avec des fibres de qanane possède une valeur de 1890
MPa, donc, une augmentation de 36%. Pour la résistance à la flexion, on obtient que la
valeur passe de 53 MPa pour la résine sans fibre à 74 MPa pour la résine époxyde
renforcée avec des fibres de banane, ce qui donne une augmentation de 38%. Pour le
module en flexion, une valeur de 1563 MPa pour la résine vierge augmente à 1835 MPa
pour la résine époxyde renforcée avec des fibres de banane, ce qui donne ' une
augmentation de 17%.
Sastra et al.[33] ont investigué .les propriétés en traction de résines époxydes
renforcées avec des fibres d' Arenga pinnata. Les fibres ont été mélangées avec des
résines époxydes à différentes concentrations en poids: 10, 15 et 20%. Le rapport entre la
résine époxyde et le durcisseur pour cette étude a été de 4: 1 en poids. Les spécimens ont
été testés à une vitesse de 5 mm/min. Pour les échantillons de fibres longues d'Arenga
pinnata, un accroissement du pourcentage de fibres de 0 à 15% donne une augmentation
régulière de la résistance à la traction de 3~ MPa à 50 MPa. Néanmoins, l'augmentation
du pourcentage de fibres à 20% entraîne une diminution de résistance à la traction à 31
MPa. On observe donc une diminution dans la force de résistance à plus de 15% en fibre
parce que l'arrangement des fibres dans le volume de la matrice est non uniforme.
Les mêmes auteurs, ont investigué les propriétés en flexion pour les résines
époxydes renforcées avec les fibres d'Arenga pinnata [34]. Ces expériences ont été
effectuées à l'aide de la méthode en trois points conformément à la norme ASTM D790-
99 avec une vitesse de 1 mm/min. La résistance à la flexion de résine . époxyde vierge est
d'environ 77 MPa. Pour les échantillons de fibres longues d'Arenga pinnata, un
accroissement du pourcentage de fibres de 0 à 15% donne une augmentation régulière de
44
la résistance à la flexion de 77 MPa à 97 MPa. Néanmoins, l'augmentation du
pourcentage de fibres à 20% entraîne une diminution de la résistance à la flexion à 79
MPa. On observe donc une diminution dans la force de résistance à plus de 15% en fibre.
Low et a1.[35] ont étudié la fabrication et les propriétés des composites époxydes
renforcés avec des fibres recyclées de cellulose. Pour y arriver, ils ont utilisé deux classes
de fibres de cellulose recyclée obtenue du papier avec deux densités différentes et une
longueur moyenne de 250 J.!m avec un diamètre de 5 Jlm. Dans le Tableau 2.4, on
présente la composition de l'époxyde seule et aussi de l'époxyde renforcée avec la
cellulose recyclée (RCF) de deux grades différents (RCF 135 avec une densité surfacique
de 0,135 kg/m2 et RCF 440 avec la densité surfacique de 0,440 kg/m2. Le Tableau 2.5
rapporte les valeurs de la résistance à la flexion (aF), du module en flexion (EF), de la
résistance à la rupture (KIC), de la résistance aux chocs (al) et de la' résistance à l'impact
(GIC) pour de l'époxyde seul et aussi de l'époxyde renforcé avec la cellulose recyclée
(RCF) de deux grades différents (RCF 135 et RCF 440). Dans ce dernier cas, on présente
les propriétés mécaniques d.u RCF 440 avec deux types de feuilles: normales (RCF 440-
n) et parallèles (RCF 440-p). On remarque des améliorations importantes dans les
propriétés à la rupture avec l'augmentation modérée des propriétés en flexion, par le
renforcement des résines époxydes avec des fibres de cellulose recyclées.
Tableau 2.4 Composition de résines pures et renforcées avec cellulose [35].
Saluple Grade.ofRCF RCF heefs Epoxy (g'tn- ) (\vt%) (",rfOlÔ
Ptu'e EpoÀyr 0 100
RCF 135 135 30 , 70
RCF440 440 30 70
45
Tableau 2.5 Propriétés mécaniques des résines pures et renforcées avec de la cellulose
[35].
Sal11ple
Pure Epox) ----~--------+_--------~--------_+--------_4--------~
RCF135
RCF 0 (n --~~--------+_--------~--------_+--------_4--------~
RCF440 (p --~~--------~--------~--------~--------~--------~
R C.F beet nortnal or parallel (p to the applied load.
George et al. [36] ont caractérise les propriétés mécaniques des époxydes
renforcées avec des fibres de lin. Différents traitements ont été utilisés afin de modifier
l'interface fibre-matrice et des tests en traction avec une vitesse de 1 mm/min ont été
faits. Les résultats montrent que l'ajout de 35% de fibres de lin donne une augmentation
de 20% du module en traction comme dans la Figure 2.3. L'ef~et des différents
traitements chimiques sur la résistance à la traction pour l'époxy composite renforcé avec
de fibres de lin est présenté dans Tableau 2.6.
10 20 30 4 0
F ibre Vol. F ractio n (%)
Figure 2.3 Effet de la concentration en fibres de lin sur la résistance à la traction [36].
46
Tableau 2.6 Effet du traitement chimique sur les propriétés en traction des résines
époxydes renforcées avec des fibres de lin [36].
Fibre T ensl e Strength Tensile Modulus Imlpact Strength
MPa (GP a kJi/m2)
U treated 53.40 ± 1.85 7.86 ± 0.83 10.47 ± .11
NaOH 1.00/0) 60.18 - 1.83 9.21 ± 0.50 13.09 - 1.59
Silane 62.54 ± 1.63 9.83 ± 0.42 8.41 ± 0.20
PHI 61 .04 ...!.. 1.71 9 .. 55 ± 0.73 8.65 _ 0.61
Si/Epoxy 57.79 ± 2.22 8.59 ± 0.81 13.69 = 0.60
NR - 2.89 ± 0.11 18.43 _ 0.40
EN R 52.31 - 1.91 8.48 ± 0.43 9.69 _ 0.50
TI est clair que dans la plupart des cas, une amélioration est observée.
L'augmentation est significative dans le cas de traitements avec du silane. Au cours du
traitement alcalin, les cires, l'hémicellulose et une partie de la lignine présents en surface
des fibres sont supprimées. L'élimination de ces composés améliore la rugosité de la
surface, ce qui permet la formation de liaisons covalentes fortes entre l'iso cyanate et les
groupes hydroxyle de la cellulose, conduisant à une amélioration significative . des
propriétés mécaniques.
Osman et al.[37] ont étudié les propriétés mécaniques de résine époxyde renforcée
par des fibres unid~rectionnelles de sisal fabriquées par RTM qui est un processus de
moulage par injection de résine à basse pression. (Resin Transfer Molding). Une couche
de fibres séchées est placée dans une cavité de moule qui est ensuite fermée et des résines
époxydes sont injectées. Les époxydes composites renforcés avec des fibres de sisal ont
été moulées et les propriétés mécaniques ont été comparées à celles des fibres de verre et
r--------- - - - - - -~- ~ ~
47
des fibres de lin. Les propriétés des composites renforcées avec des fibres dépend de la
qualité de la fibre (variations microstructurales, état des dommages), mais également du
fait que les fibres sont testées de différentes façons. Une augmentation de la longueur
diminue la force des fibres parce que le nombre de défauts est plus élevé. ils ont
également démontré que la résistance des fibres techniques n'est pas uniforme sur toute la
longueur de la fibre. Les fibres prises de la racine (partie inférieure de la plante) sont
moins résistante à la traction.
Les propriétés mécaniques telles que la densité et la géométrie de différentes
fibres sont présentées dans le Tableau 2.7 et le Tableau 2.8 présente l'effet des fibres de
sisal sur la résistance à la traction et le module Young de résines époxydes.
En conclusion, on peut dire qu'une distribution plus uniforme des fibres et
l'amélioration de l'adhésion fibre-matrice peuvent améliorer la résistance des composites
d'époxyde-sisal. De plus, la résistance des composites de fibres naturelles n'atteint pas le
niveau des composites à base de fibres de verre pour une même concentration.
Néanmoins, les époxydes composites renforcés avec des fibres de sisal ont une meilleure
résistance que les époxydes renforcés avec de la fibre de lin. Le sisal est également moins
dispendieux que le lin, ce qui est doublement intéressant.
Tableau 2.7 Propriétés mécaniques des fibres de sisàl et de lin en comparaison avec les
fibres de verre [37].
Strain to E-moduhlB
Fiber Type (GPa)
GIa 72 2000- 3400 1.8-3.2 45-100 600- 1100 1.5- 2.4
7-20 400- 700 2- 14 24 ± H 550 ~ 100 2.4 ± 0 .4
Fiber' ingle Fiber Lengt.h Lengtb (mm) mm)
Cont.inuous 300- 900 13- 70. 500-1000 1--8
Single Fiber Diamet~r
(p.m
10 10--.30 10--40
Ceu Wall
2.56 1.4- 1.5
1-1.45 1.37
r------------~ -~~ ~ - ~~ -~
48
Tableau 2.8 Propriétés mécaniques de résine époxyde vierge et renforcé avec différentes
concentrations de fibres de sisal [37].
pecific trength
ample fPalg cm- )
76 66 69 (±23 146
3 {_ 16 1 7 211 (± 12 t 0
T, ile ~odul (GPal
3 1-3.2 14.2 14.5
2.7 122 124 16
Elongaticn at.Br al
7.3 2.3 2.2 1.9
Gikuru et al.[38] ont étudié l'influence des fibres de sisal sur les propriétés en
traction et en flexion pour les composites époxyde-sisal. Les spécimens ont été testés à
une vitesse de 0,03 mm/min et les résultats des tests en traction sont présentés dans la
Figure 2.4 en fonction du pourcentage de fibre et de leur longueur. La plus forte
augmentation est de 79,5% et a été enregistrée pour une concentration de 2% de fibres
longues. Le module d'élasticité est présenté à la Figure 2.5.
55
+lÔmm "'20 'mm ~~OO
1 1,5 2 %:Mus ofdsal tIbJe
Figure 2.4 Contraintes en traction pour les résines époxydes renforcées avec des fibres de
sisal de longueurs différentes [38].
49
7
o+-----~----~------~------------o as 1 1..5 2 ~ 11'IgdQn or· Jltœ
Figure 2.5 Module d'élasticité en fonction de la concentration de fibres de sisal [38].
On observe que le module élastique pour les résines sans fibre a la valeur la plus
basse (2.77 GPa) et le module augmente avec la présence de fibres pour atteindre un
optimum.
2.4 Conclusion partielle
Comme il a été présenté dans ce chapitre, on constate qu'il existe un grand
nombre des chercheurs qui ont étudié une très grande variété de procédés et de produits
pour renforcer les résines époxydes.
À travers tous ces articles, on remarque que l'utilisation de différentes fibres
comme renforts pour les résines époxydes apporte de meilleures propriétés mécaniques et
ces mêmes propriétés sont améliorées avec l'augmentation de la concentration de fibres.
Les propriétés mécaniques varient beaucoup en fonction du type de fibre utilisé (verre ou
naturelle) et aussi de leurs longueurs. TI faut mentionner qu'il existe beaucoup d'autre
type de fibres pouvant renforcer les résines époxydes (bore, carbone, kevlar, etc.).
50
Le Protocole de Kyoto sur les changements climatiques mondiaux a eu pour effet
d'accélérer la transition vers une économie durable et plus respectueuse de
l'environnement en remplaçant progressivement des produits pétrochimiques par des
ressources renouvelables, telles que les fibres naturelles qui se trouvent en abondance
dans la nature. Pour cette raison, de nombreuses recherches ont porté sur l'utilisation des
fibres naturelles comme renforcement des résines époxydes ces dernières années.
Néanmoins, il y a encore de nombreux obstacles à surmonter pour arriver à des résultats
satisfaisants. Pour y parvenir, il faudra d'abord examiner la nature des interactions entre
la résine époxyde et le durcisseur, ainsi que ses répercussions sur les propriétés
mécaniques du matériau. Ensuite, il faudra s'attarder aux effets des fibres naturelles sur la
résine époxyde. Le but premier d'incorporer des fibres dans une matrice composite est de
transférer la charge du matériau le plus faible au matériau le plus fort. Les fibres
naturelles améliorent non seulement la rigidité des matériaux, mais elles modifient
également les interfaces résine époxyde/durcisseur. Ceci permettra en effet de mieux
coniprendre les résines époxydes, l'orientation des fibres dans les résines, la morphologie
cellulaire et les propriétés mécaniques des échantillons produits.
51
Chapitre 3
Matériaux et Méthodes Expéritnentales
Cette section a comme objectif de définir la démarche expérimentale utilisée afin
de mener à bien cette étude. Pour y arriver, il faudra d'abord définir les caractéristiques
des matériaux utilisés. Ensuite, les étapes de la mise en œuvre seront expliquées afin
d'assurer la reproductibilité des résultats. Cette portion a également comme utilité de
connaître les techniques utilisées pour faire les mélanges de résines époxydes avec des
fibres naturelles. Enfin, il sera également question des méthodes de caractérisation
morphologique et mécanique des échantillons. Comme cette étude a pour but principal
d'étudier l'effet du type et de la concentration des fibres naturelles sur des résines
époxydes, un plan expérimental complet comportant 64 expériences a été mis au point.
(Tableau 3.1). Au total, 50 échantillons ont été produits pour chacune des conditions
énumérées.
Tableau 3.1 Plan expérimental.
Paramètres Unités Niveaux indé endants
Résines Epon 828 BE 188
Durcisseurs Anquamine 401 Anquamine 701
Fibres naturelles Bois Sisal Lin Chanvre
Teneur en fibre % poids 0 10 20 30 naturelle
52
3.1 Description des matériaux
3.1.1 Résines
Les résines utilisées dans ce projet sont un mélange de polymère
d'épichlorhydrine et de bisphénol A. On a choisi deux polymères liquides à la
température de la pièce.
La première résine est l'Epon(TM) Resin 828 (Annexe A) qui est un polymère
d'épichlorhydrine et de bisphénol A (100%), produit par Resolution Performance
Products LLC (Houston, Texas, USA). Sa densité est 1,17 g/cm3.
La deuxième résine est le BE 188 (Annexe B) qui est aussi un polymère
d'épichlorhydrine et de bisphénol A (60-100%), produit par Quadra Chemicals LTD.
(Vaudreuil-Dorion, Québec, Canada). Sa densité est 1,16 à 1,18 g/cm3.
3.1.2 Durcisseurs
Les durcisseurs choisis sont des polyamines à base d'eau avec une densité de 1,10
g/cm3. Ces polyamines sont des produits liquides moins polluants et l'impact
environnemental est moindre.
La première résine est l' Anquamine 401 (Annexe C) qui est une amine utilisée
comme durcisseur avec une composition de [polymère de polyamine (40-70%); poly(oxy
(méthyl-1 ,2-éthanediyl), alpha(2-aminométhyléthyl)-omega(2-aminométhyléthoxy) (3-
%); tétraéthylènepentamine (1-5%)] de Air Products and Chemicals (Allentown,
Pennsylvania, USA). Sa densité est 1,09 g/cm3 (68.0 Ib/ft3) à 21°C (700 P).
La deuxième résine est l'Anquamine 701 (Annexe D) qui est aussi une amine
utilisée comme durcisseur avec une composition de [Polyamine - Epoxy Resin Adduct
«60%)] de Air Products and Chemicals (Allentown, Pennsylvania, USA). Sa densité est
1,10 g/cm3 (68.7 Ib/ft3) à 21°C (700 P).
53
3.1.3 Fibres naturelles
La fibre de bois utilisée est le bouleau jaune parce qu'elle est abondante, peu
dispendieuse et contient relativement peu d'espèces volatiles. Le bouleau est relativement
léger sans comporter de résidus résineux. Ces résidus sont difficiles à extraire du bois et
. leur présence . modifie les propriétés des composites. Les fibres de sisal d'International
Fiber Corporation (Tonawanda, New York, USA), les fibres de lin de Stemergy
(Delaware, Ontario, Canada) et les fibres de chanvre de Stemergy (Delaware, Ontario,
Canada) ont aussi été utilisées. Les fibres ont été tamisées afin d'en contrôler la
granulométrie. Pour les fibres d'une longueur de 300-600 ~m utilisées dans les sept
premiers tests, la distribution de la taille des particules est illustrée dans la Figure 3.1.
60
50
,.-., 40 ~ ~ 0() ~ ...... 30 = ~ C.J &.. = = ~ 20
10
0
••••• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •••••• 1 1
200 300 400 500 600 Dimension des fibres (Jlm)
700
Figure 3.1 Distribution de la taille des particules pour les fibres longues (300-600 ~m).
Pour avoir une meilleure comparaison en fonction de la longueur des fibres, on a
fait des tests complémentaires avec des fibres tamisées entre 125 et 300 ~m. Ces fibres
ont été obtenues en broyant les fibres de 300-600 ~m. Pour les fibres d'une longueur de
54
125-300 ~m utilisées dans les quatre dernier tests, la distribution de la taille des particules
est illustrée dans la Figure 3.2.
60~----------------------------------------------------~
•••• • • • • 50 • • • • • • • • ~ 40 ~ ---QJ ~ ~
30 ~ = QJ ~
""" = Q
~ 20
• • • • • • • • • • • • • • • • • • 10
• • • •• • • •• • •• O~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320
Dimension des fibres (Jlll1)
Figure 3.2 Distribution de la taille des particules pour les fibres courtes (125-300 ~m).
3.1.4 Autres produits
On a choisi deux solvants différents pour réussir à réduire la viscosité des
polymères. Le premier solvant est l'Epodil 748 (Annexe E) qui a une composition de
[Alkyl C12-C14 glycidyl éther (100%)] de Air Products and Chemicals (Allentown,
Pennsylvania, USA). Sa densité est 0,89 g/cm3 (55,6 Ib/ft3) à 21°C (70°F). Le deuxième
solvant est l'Alcool benzylique (Annexe F) qui a une composition de [Alcool benzylique
(98-100%), Benzaldéhyde (0-0,3%), Dibenzyl éther (0-1,5%) et Eau (0-0,2%)] de
Phancorp Inc. (Toronto, Ontario, Canada). Sa densité est 1,044 g/cm3.
Un surfactant a été utilisé pour aider au nettoyage: l'Alkasurf CO 720 (Annexe G)
qUI possède une composition de [Nonylphénol polyéthoxylate (99,5%)] de Stochem
55
Speciality Chemicals une Division de Univar Canada Ltd. (Richmond, British Columbia,
Canada). Sa densité est 1,06 g/cm3 à 25°C.
Dans le dernier cas, on a utilisé un nanoadditif pour voir son effet sur l'adhérence
entre les fibres et matrice. Le Hi-Sil T -700 (Annexe H) [Hydrated, Amorphous Silica
(>87%)] est produit par PPG Industries Inc. (Pittsburgh, Pennsylvania, USA).
3.2 Procédure expérimentale
3.2.1 Fabrication des échantillons
Pour la mise en œuvre des résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles,
il faut généralement sécher d'abord les fibres afin de minimiser le dégagement d'eau et
de produits volatils lors du mélange. Comme les durcisseurs sont des produits solubles
dans l'eau et · que de l'eau est présent dans le processus de fabrication, il n'a pas été
nécessaire de sécher les fibres naturelles car la quantité d'eau incorporée aux fibres est
faible et n'aura pas une grande influence sur les résultats finaux.
Le procédé de fabrication des échantillons comporte quatre étapes:
1) le mélange des résines, durcisseurs et fibres naturelles: les fibres sont donc
. mélangées à la résine et au durcisseur dans un bécher. Le durcisseur est incorporé
premièrement, bien mélangé avec la · résine et dernièrement on ajoute les fibres
naturelles en mélangeant pour avoir un mélange le plus homogène possible.
2) le moulage dans un moule rectangulaire de 275 mm de longueur, 215 mm de
largeur et 3 mm d'épaisseur. On verse le mélange de résine, durcisseur et fibres
naturelles dans la moule jusqu'à ce qu'il soit rempli.
3) la cure du mélange s'est fait pendant 30 jours dans des conditions normales de
température (22°C), de pression (1 atm) et de taux d'humidité (60%).
4) le découpage des échantillons s'est fait à l'aide d'une presse hydraulique
manuelle.
56
'3.2.2 Découpage des échantillons
Différentes méthodes ont été testées afin de préparer les échantillons pour les
différents tests à réaliser. Ceci est nécessaire, car chaque type de caractérisation nécessite
. des géométries et des tailles différentes.
Pour ce qui est des analyses mécaniques, on a utilisé un découpage mécanique à
l'aide d'un poinçon de forme appropriée et d'une presse manuelle. Pour les tests de
flexion et de torsion, une forme rectangle de 9,5-10,5 mm de largeur (B) et 50-70 mm de
longueur (A) est utilisée comme le montre la Figure 3.3. L'épaisseur (C) dépend de
l'échantillon, mais se situe entre 1,5 et 3,5 mm dans notre cas.
A
Figure 3.3 Dimensions des échantillons pour les tests de torsion et de flexion.
Pour les tests de traction, la norme ASTM D638 [39] a été choisie avec une
géométrie en « os de chien» du type IV tel qu'illustré à la Figure 3.4. Les dimensions en
mm sont: A = 45, B = 2,8-3,2 et C = 1,5-3,5.
57
B
Figure 3.4 Dimensions des échantillons pour les tests de traction.
3.2.3 Densité
Pour le calcul de la densité, on a utilisé une balance analytique, un. ballon gradué
de 25 ml et du méthanol. Un exemple de calcul est présenté ici pour le test T Il.1.
T = Tare
= 20.4348 g
m 1 = m ballon + m échantillon
= 21.8532 g
m 2 = m ballon + m échantillon + m CH3 OH
= 40.6761 g
Vb = Volume ballon
= 25 cm3
m 2 - m 1 = m CH3 OH
= 40.6761 - 21.8532
= 18.8229 g
m 1 - T = m e (masse échantillon)
= 21.8532 - 20.4348
= 1.4184 g
P CH3 OH = m CH3 OH 1 V CH3 OH
P CH3 OH = 0.792 g/cm3
V CH3 OH = m CH3 OH Ip CH3 OH
= 18.8229 10.792
= 23.76629 cm3
V e (volume échantillon) = V b - V CH3 OH
= 25 - 23.76629
= 1.23371 cm3
p e (densité échantillon) = me (mase échantillon) 1 V e (volume échantillon)
= 1.41841 1.23371
= 1.15 g/cm3
3.2.4 Morphologie
58
On a utilisé un microscope électronique à balayage (Scanning Electron
Microscopy) de marque JEOL modèle JSM840A (voir Figure 3.5) pour caractériser la
morphologie des échantillons et la distribution de taille des fibres. La microscopie
électronique à balayage est une technique de microscopie basée sur le principe des
interactions électrons-matière, capable de produire des images en haute résolution de la
surface d'un échantillon. Le principe du MEB consiste en un faisceau d'électron balayant
la surface de l'échantillon à anal yser qui, en réponse, réémet certaines particules. Ces
particules sont analysées par différents détecteurs qui permettent de reconstruire une
image en trois dimensions de la surface.
59
Figure 3.5 Microscope électronique à balayage (Scanning Electron Microscope).
3.2.5 Tests mécaniques
3.2.5.1 Tests en flexion
Un appareil de caractérisation universelle de marque Instron et modèle 5565 a été
utilisé pour la caractérisation mécanique des échantillons en flexion (Figure 3.6).
L'appareil est couplé à un ordinateur de contrôle et au logiciel Merlin pour analyser les
données.
60
Figure 3.6 Instron modèle 5565 au laboratoire du Département de chimie.
Les tests en flexion ont été réalisés à l'aide d'une cellule de 50 Newtons. Les tests
utilisent un montage à trois points de contact tel que montré à la Figure 3.7. La vitesse de
déformation était de 5 mm/min, la température ambiante et les dimensions typiques pour
la longueur, la largeur et l'épaisseur des échantillons ont été présentées à la Figure 3.3.
61
Figure 3.7 Géométrie à trois points de contact pour les tests en flexion.
Selon le standard ASTM D790 [40], on peut ~alc\ller le module en flexion par:
(3.1)
Avec
Eb = module d'élasticité en flexion (MPa),
L = distance entre les supports (mm),
b = largeur de l'échantillon (mm),
d = épaisseur de l'échantillon (mm),
m = pente initiale de la droite (N/m).
62
Dans ce travail, la distance entre les deux points de support L a été de 60 mm. La
valeur de la pente m de la droite « force versus extension» a été calculée pour de faibles
extensions. On a choisit un intervalle constant ce qui correspond à des extensions entre
0,12 et 1,5 mm (voir Figure 3.8).
35 ~--------------------------------------------------------~
30
25
10
5
1 2 3 4 5 6 7
Extension (mm)
Figure 3.8 Courbe typique de force en fonction de la déformation pour un test de flexion.
3.2.5.2 Tests en torsion
Un rhéomètre ARES a été utilisé pour effectuer des tests en mode de torsion
rectangulaire (Figure 3.9). Cet instrument permet de faire des balayages en déformation
et en fréquence sur des échantillons rectangulaires fixés par une géométrie spéciale. Les
tests sont contrôlés par un ordinateur, puis analysés par le logiciel RSI Orchestrator
version 6.5.3.
63
Figure 3.9 Rhéomètre ARES pour les tests de torsion rectangulaire au laboratoire de
génie chimique.
L'anal yse en torsion a été effectuée à l'aide d'un rhéomètre muni d'un mandrin
pour la torsion rectangulaire. Les échantillons étaient coupés en forme rectangulaire avec
des dimensions typiques présentées à la Figure 3.3.
Tous les tests en torsion rectangulaire ont été faits à la température ambiante de
(23°C). Premièrement, la fixation de l'échantillon est faite en compression (Figure 3.10).
Le mandrin supérieur de l'ARES est descendu jusqu'à l'application d'une force de 200 g
sur le spécimen. Les mandrins ont été munis de pinces de serrage à fermeture variable
afin d'assurer un contact parfait avec les échantillons d'épaisseur non-standard. Une fois
fixé, l'échantillon est soumis à 200 g en tension. Les tests peuvent débuter si le montage
n'exerce aucune contrainte initiale en torsion sur la pièce.
64
Figure 3.10 Dispositif de fixation pour les échantillons en torsion rectangulaire.
On effectue d'abord un balayage en déformation à une fréquence de 1 radis dans
le but d'identifier la zone linéaire viscoélastique. Un exemple est présenté à la Figure
3.11 où une déformation maximale de 0,9% doit être utilisée. Pour conserver une marge
de sécurité, une déformation de 0,7% a été choisie. Connaissant cette valeur, ceci permet
de tester les échantillons en déformation élastique seulement pour effectuer des balayages
en fréquence afin d'obtenir les modules de torsion élastique (G'), visqueux (G") et
complexe (G*). À cette fin, cinq répétitions pour chaque échantillon ont permis de
calculer les moyennes accompagnées de leur écart-type respectif.
440
420
400 ~
C'd ~
~ 380 '-"
QI ..... = 360 "C 0
~ '340
320
300 0.0
Elastique
0.5
Valeur de la déformation
utilisée
0.7
Plastique
Tl
1.0 1.5 2.0
Déformation (%)
Figure 3.11 Résultats typiques d'un balayage en déformation pour un test en torsion.
3.2.5.3 Tests en traction
65
2.5
Un appareil de caractérisation universelle de marque Instron et modèle 5565 a été
utilisé pour la caractérisation mécanique des échantillons en traction (Figure 3.6).
L'appareil est couplé à un ordinateur de co~trôle et au logiciel Merlin pour analyser les
données.
En complémentarité avec les tests en flexion et torsion, les tests en traction
permettent d'étudier les résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles à de hautes
contraintes en déformation; c'est-à-dire bien au-delà du seuil d'élasticité. L'éprouvette
utilisée cette fois possède la forme d'un os de chien (Figure 3.4) et le montage est
présenté dans la Figure 3.12. Les tests ont été effectués avec une cellule de 500 Newtons.
66
Figure 3.12 Dispositif de fixation pour les échantillons en traction.
La vitesse de déformation utilisée était de 1 mm/min, ce qui est une faible vitesse
pour des résines époxydes. Le module en tension est calculé par la pente de la courbe
contrainte-déformation (Figure 3.13).
61
18
16
14 L'intervalle de calcul
~
~ 12 ~
< ::>
~ '-" 10
QJ ...... = .,....,. ~ 8 ~ ...... = 0 6 U
4
2
0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018
Déformation (-)
Figure 3.13 Courbe typique de contrainte-déformation pour des tests en tension.
Les tests en traction ont pour but de quantifier le module élastique (E), la contrainte
maximale (Jm) , ainsi que la contrainte à la rupture (Jr) , de même que la déformation à
laquelle se produisent ces contraintes (Bm et Br respectivement). Encore une fois, cinq
répétitions par échantillon ont été jugées suffisantes afin d'obtenir des moyennes
accompagnées de leur écart -type respectif.
68
Chapitre 4
Résultats et Discussion
La caractérisation des résines époxydes renforcées avec des
être divisée en deux volets. D'abord, l'étude microscopique corn
morphologie, de la densité et des dimensions des fibres natur
mécaniques sont étudiées dans le second volet. li s'agit ici de caract
selon leurs propriétés en flexion, torsion et traction. Dans les pages
aspects abordés seront analysés de façon à déterminer l'effet des ré
fibres naturelles peut
prend l'analyse de la
elles. Les propriétés
ériser les échantillons
qui suivent, tous les
sines époxydes et des
fibres naturelles sur ces matériaux composites.
cipaux: premièrement Nous avons concentré notre recherche sur deux aspects prin
on a employé quatre types de fibres naturelles (bois, sisal, lin et ch
avec la même résine et durcisseur. Deuxièmement, on a utilisé se
bois (bouleau j aune) comme renfort en changeant à la fois la résin
Tableau 4.1 montre les paramètres étudiés. Comme on peut voir d
utilisé deux types de résine époxyde, deux types d~ durcisseur, un a
anvre) comme renfort
ulement les fibres de
e et le durcisseur. Le
ans ce tableau, on a
dditif et quatre types
des fibres naturelles.
Tableau 4.1 Les principaux tests réalisés pour les fibres de 300 - 60 O~m.
Tests Résine Durcisseur Fibres naturelles Tl E on 828 An uamine 401 Bois
T3 E on 828 An uamine 401 Sisal
T6 E on 828 An uamine 401 Lin
T7 E on 828 Chanvre
T2 E on 828 Bois
T4 BE 188 Bois
T5 E on 828 An uamine 401 + An uamine 701 Bois
-
69
Pour avoir une meilleure comparaison en fonction de la longueur des fibres, on a
fait des tests complémentaires avec les fibres de 125-300 ~m. Ces fibres ont été obtenues
en broyant les fibres de 300-600 ~m. Le Tableau 4.2 montre la liste des paramètres
étudiés.
Tableau 4.2 Les principaux tests réalisés pour les fibres de 125 - 300 ~m.
Tests Résine Durcisseur Fibres naturelles
TIl E on 828 An ' uamine 401 Bois
T14 E on 828 An uamine 401 Sisal T13 E on 828 An uamine 401 Lin
T12 E on 828 An uamine 401 Chanvre
4.1 Analyse morphologique
L'étude du comportement des composites de résines époxydes renforcées avec des
fibres naturelles passent par l'analyse microscopique des échantillons; c'est-à-dire
l'analyse de la morphologie, de la densité et des dimensions des fibres naturelles. Dans
un premier temps, l'étude microscopique des résines époxydes renforcées avec des fibres
naturelles nécessite la photographie de deux ou trois échantillons utilisés dans les tests en
traction. On utilise ces échantillons parce qu'ils nous donnent une bonne idée du
comportement de traction pour des fibres naturelles dans les résines époxydes. Chaque
pourcentage et chaque type de fibres peuvent avoir un comportement différent au niveau
de la rupture dans les tests de traction. Pour y arriver, un grossissement de 2X et 3X ont
été utilisés pour étudier les échantillons contenant 0, 10, 20 et 30% de fibres naturelles.
Les hautes concentrations de fibres compliquent l'analyse parce que le caractère
irrégulier des cassures augmente (plus difficile de bien distribuer les fibres).
70
4.1.1 Taille des fibres
Le but premier de l'incorporation de fibres naturelles dans une matrice de résine
époxyde est de réduire les coûts de production et le second est de transférer la charge du
matériau le plus faible au plus fort. Toutes les fibres incorporées dans la matrice subissent
une certaine dégradation mécanique à cause des types de mélange choisis pour incorporer
les fibres.
Dans notre cas, les fibres sont mélangées avec la résine et avec le durcisseur dans
un bécher. Le durcisseur est incorporé premièrement avant l'introduction des fibres
naturelles. Comme les résines et les durcisseurs sont des produits liquides, le mélange est
fait très facilement avec une spatule. Après ce mélange, la résine et le durcisseur sont
mélangés ensemble pour incorporer les fibres naturelles.
L'addition des fibres se fait en petite quantité en mélangeant à l'aide d' une
spatule. Avec cette méthode de travail, la dégradation mécanique des fibres naturelles
n'est pas très importante et la longueur et le diamètre moyens des fibres naturelles
utilisées pour renforcer les résines époxydes reste presque le même entre le début et la
fin.
On conclut donc que la mise en œuvre ne diminue pas la dimension des fibres
naturelles et ne change pas leur géométrie.
Les micrographies présentées aux Figures 4.1-6 illustrent des morphologies de
résine comme Epon 828 avec le durcisseur Anquamine 401 pour les quatre
concentrations de fibres de bois. Tous les échantillons analysés au SEM ont été obtenus
suite aux tests de traction puisqu'ils permettent de procéder à la microscopie des résines
époxydes renforcées avec des fibres naturelles après la rupture.
Dans les Figures 4.1-6 on observe la présence des différents types des fibres
naturelles dans différentes concentrations comme renforcement pour les résines
époxydes.
71
Figure 4.1 Photos de résines époxydes renforcées avec 10% de fibres de bois (T1.1), sisal
(T3.1), lin (T6.1) et chanvre (T7.1) de 300-600 ~m avec un grossissement de 200X.
Figure 4.2 Photos de résines époxydes renforcées avec 10% de fibres de bois (T1.1), sisal
(T3.1), lin (T6.1) et chanvre (T7.1) de 300-600 ~m avec un grossissement de 1000X.
1
1
i '
72
Figure 4.3 Photos de résines époxydes renforcées avec 30% de fibres de bois (Tl.3), sisal
(T3.3), lin (T6.3) et chanvre (T7.3) de 300-600 ~m avec un grossissement de 200X.
Figure 4.4 Photos de résines époxydes renforcées avec 30% de fibres de bois (T 1.3), sisal
(T3.3), lin (T6.3) et chanvre (T7.3) de 300-600 ~m avec un grossissement de 1000X.
73
Figure 4.5 Photos de résines époxydes renforcées avec 10% de fibres de bois (T Il.1),
sisal (T14.1), lin (T13.1) et chanvre (T12.1) de 125-300 ~m avec un grossissement de
200X.
Figure 4.6 Photos de résines époxydes renforcées avec 10% de fibres de bois (TIl), sisal
(T14), lin (T13) et chanvre (T12) de 125-300 ~m avec un grossissement de 1000X.
74
On peut voir aux Figures 4.1-6 différents résultats obtenus expérimentalement qui
montrent que les fibres semblent bien encapsulées par la résine époxyde. Pour comparer
plus facilement la morphologie, les échantillons ont été préparés dans les mêmes
conditions de moulage à une température de 20°C. On peut aussi remarquer que les
dimensions des fibres, leur distribution dans l'espace et le nombre de bulles d'air sont
différentes et varient selon la concentration de fibres. Pour les plus grandes
concentrations de fibres et aussi pour les fibres plus courtes, on observe un plus grand
nombre de bulles.
4.1.2 Densité
La valeur de la densité dépend de la concentration et du type de fibres naturelles
incorporées dans la matrice de résine époxyde. Le Tableau 4.3 rapporte les valeurs
obtenues pour les composites produits.
75 '
Tableau 4.3 Densités obtenues pour les différents échantillons en fonction de la
concentration, de la taille et du type de fibre.
Tests Résines Durcisseurs Fibres Logeur Concentration Densité naturelles des fibres de fibre
(g/cm3)
(f.1m) (%)
T1.0 Epon .828 Anquamine 401 Bois 300 - 600 0 1,16
T1.1 Epon 828 Anquamine 401 Bois 300 - 600 10 1,14
T1.2 Epon 828 Anquamine 401 Bois 300 - 600 20 1,12
T1.3 Epon 828 Anquamine 401 Bois 300 - 600 30 1,09
T3.0 Epon 828 Anquamine 401 Sisal 300 - 600 0 1,16
T3.1 Epon 828 Anquamine 401 Sisal 300 - 600 10 1,07
T3.2 Epon 828 Anquamine 401 Sisal 300 - 600 20 0,99
T3.3 Epon 828 Anquamine 401 Sisal 300 - 600 30 0,91
T6.0 Epon 828 Anquamine 401 Lin 300 - 600 0 1,16
T6.1 Epon 828 Anquamine 401 Lin 300 - 600 10 1,06
T6.2 Epon 828 Anquamine 401 Lin 300 - 600 20 0,98
T6.3 Epon 828 Anquamine 401 Lin 300 - 600 30 0,89
T7.0 Epon 828 Anquamine 401 Chanvre 300 - 600 0 1,16
T7.1 Epon 828 Anquamine 401 Chanvre 300 - 600 10 0,99
T7.2 Epon 828 Anquamine 401 Chanvre 300 - 600' 20 0,91
T7.3 Epon 828 Anquamine 401 Chanvre 300 - 600 30 0,84
T2.0 Epon 828 Anquamine 401 + Bois 300 - 600 0 1,14 Hi-Sil T 700
T2.1 Epon 828 Anquamine 401 + Bois 300 - 600 10 1,12 Hi-Sil T 700
T2.2 Epon 828 Anquamine 401 + Bois 300 - 600 20 1,09 Hi-Sil T 700
T2.3 Epon 828 Anquamine 401 + Bois 300 - 600 30 1,06 Hi-Sil T 700
T4.0 BE 188 Anquamine 401 Bois 300 - 600 0 -1,17
76
Tests Résines Durcisseurs Fibres Logeur Concentration Densité naturelles des fibres de fibre
(g/cm3)
(f.1m) (%)
T4.1 BE 188 Anquamine 401 Bois 300 - 600 10 1,14
T4.2 BE 188 Anquamine 401 Bois 300 - 600 20 1, Il
T4.3 BE 188 Anquamine 401 Bois 300 - 600 30 1,08
T5.0 Epon 828 Anquamine 401 + Bois 300 - 600 0 1,16 Anquamine 701
T5.1 Epon 828 Anquamine 401 + Bois 300 - 600 10 1,13 Anquamine 701
T5.2 · Epon 828 Anquamine 401 + Bois 300 - 600 20 1,12 Anquamine 701
T5.3 Epon 828 Anquamine 401 + Bois 300 - 600 30 1,10 Anquamine 701
T11.0 Epon 828 Anquamine 401 Bois 125 - 300 0 1,15
T11.1 Epon 828 Anquamine 401 Bois 125 - 300 10 1,14
T11.2 Epon 828 Anquamine 401 Bois 125 - 300 20 1,08
T11.3 Epon 828 Anquamine 401 Bois 125 - 300 30 1,05
T14.0 Epon 828 Anquamine 401 Sisal 125 - 300 0 1,15
T14.1 Epon 828 Anquamine 401 Sisal 125 - 300 10 1,02
T13.0 Epon 828 Anquamine 401 Lin 125 - 300 0 1,15
T13.1 Epon 828 Anquamine 401 Lin 125 - 300 10 1,01
T12.0 Epon 828 Anquamine 401 Chanvre 125 - 300 0 1,15
T12.1 Epon 828 Anquamine 401 Chanvre 125 - 300 10 0,96
Selon le Tableau 4.3, on remarque que la densité varie entre 0,84 et 1,17 g/cm3
selon la teneur en fibres naturelles. La densité des fibres naturelles étant inférieure à celle
des résines époxydes, leur présence diminue la densité finale de la résine époxyde
renforcée avec les fibres naturelles. On observe que dans notre cas, la densité du
composite diminue avec l'augmentation de la concentration en fibres naturelles et diffère
en fonction du type de fibre utilisé.
77
Pour le reste des discussions, le Tableau 4.3 sert aussi de référence pour la
description des échantillons produits. De façon genérale, la nomenclature TX.Y.Z est
utilisée où X représente la matrice et le type de fibre, Y représente la cùncentration de
fibre divisée par 10 et Z le numéro de répétition.
4.2 Tests mécaniques (fibres de 300-600 f.1m)
De façon générale, la résistance mécanique d'une résine époxyde augmente avec
la teneur en fibres naturelles simplement parce que les propriétés mécaniques des fibres
sont grandement supérieures à celles de la résine [30]. Mais il y a des limites à ce
phénomène puisque les fibres doivent être totalement recouvertes de polymère pour être
efficaces (pour avoir une bonne adhésion). Dans notre cas, des fractions massiques
maximales de 30% des fibres naturelles ont été utilisées pour cette raison. Dans le cas de
nanoadditif on a utilisé 4.6% de Hi-Sil mélangé avec le durcisseur.
4.2.1 Tests en flexion
La Figure 4.7 présente des courbes typiques de force en fonction de la
déformation pour quatre échantillons T1.3, T3.3, T6.3 et T7.3 qui représentent quatre
types de fibres naturelles (bois, sisal, lin et chanvre) utilisées comme renforcement pour
les résines époxydes pour une concentration de 30%. TI est facile de voir que les modules
sont bien différents pour chacun d'eux parce que leur morphologie est différente. À l'aide
de l'Équation (3.1), les modules en flexion sont calculés comme 1295, 1049, 1162 et
1260 MPa, respectivement. On observe que le module en flexion le plus élevé est obtenu
avec les fibres de bois, suivi des fibres de chanvre et de lin. En dernière place se trouve
les fibres de sisal.
35
30
25
..--. Z 20 '-" QJ ~ ..
15 0 ~
10
5
0 0
TI.3 D T3.3 • T6.3 + T7.3
1 2 3 4
Déformation (mm)
78
5 6 7
Figure 4.7 Courbes typiques de la force en fonction de la déformation pour un test en
flexion (30% de fibres). '
À l'aide de l'Équation (3.1), on a calculé les modules en flexion pour les
différentes résines et les différents types de fibres avec les longueurs de 300-600 ~m. La
Figure 4.8 montre bien que tous les modules augmentent avec l'augmentation du
pourcentage de fibres naturelles. Les valeurs rapportées représentent une moyenne d'un
minimum de cinq échantillons. À ce sujet, Gikuru et al.[38] ont aussi démontré que les
fibres de sisal donnent une augmentation du module en flexion avec la concentration des
fibres.
La Figure 4.8 illustre les modules en flexion pour différentes résines époxydes
avec ou sans un nanoadditif en fonction de leur teneur en bois pour les tests Tl, T2, T 4 et
T5 et avec la même résine époxyde en fonction des différentes fibres naturelles comme le
bois, le sisal, le lin et le chanvre dans les tests Tl, T3, T6 et T7.
------- - - - - - - -- - . - -
79
1600 Tl
\l T2 ...-.. D T3 ~ ® ~ 1400 0 T4 ~ '-' ® TS
\l ,.Q • T6 ® ~ + 1 T7 = 0 1200 0 .-~ ~
C + = Q) • ~ 1000 0 ,.....
= D ~ 0
~ D
800
0% 10% 20% 30%
Concentration de fibres naturelles
Figure 4.8 Module de flexion en fonction de la concentration en fibres naturelles (300-
600 ~m).
La Figure 4.8 permet efficacement de comparer les matériaux en fonction des
résines époxydes et des fibres utilisées. On observe que la rigidité des résines époxydes
dépend de la teneur en fibres naturelles. En plus, la présence de Hi -Sil comme
nanoadditif dans la T2 augmente le module en flexion. En général, une augmentation
linéaire est obtenue pour tous les cas étudiés.
La Figure 4.9 montre les comparaisons .entre les résines époxydes selon leur
pourcentage de charge en fibres naturelles en relation avec le pourcentage de
l'augmentation de leur module en flexion par rapport à la résine vierge.
80
80 ,.-..
~ "-'"
= 0 .• ~ 60 Tl QJ
C D T3 = QJ Â T6 QJ + T7 ~
+ = "'C 40 0 Â 8
= "t:S 0 QJ OIJ ~ 20 ~ = QJ D ~ ~
= 0 ~
0 0% 10% 20% 30%
Concentration de fibres naturelles
Figure 4.9 Pourcentage de variation du module en flexion en fonction de la concentration
en fibres naturelles (300-600 ~m).
Par exemple, la Figure 4.9 indique qu'une augmentation de 30% de fibres de bois
dans la résine (Tl) nous donne une augmentation de 70% du module de flexion. On
observe que le plus grand module en flexion pour 30% de fibres est obtenu avec la fibre
de bois et le plus faible avec le sisal (T3). Le module en flexion pour les fibres de bois est
31 % plus élevé que pour les fibres de sisal.
La Figure 4.9 permet de conclure que le module en flexion augmente selon
l'augmentation du pourcentage des fibres naturelles et diffère en fonction des types de
fibres ' utilisées.
Dans la Figure 4.10 on présente les comparaisons entre les différents types de
résines époxydes et de nanoadditif selon leur pourcentage de charge en fibre de bois
81
(bouleau jaune) en relation avec le pourcentage de l'augmentation du leur module en
flexion. On observe que le plus grand module en flexion pour différents types de résines
et de durcisseurs est obtenu dans la T5. En plus, la présence de nanoadditif dans -la T2
augmente le module en flexion de 25%.
120
,.-..
~ Tl '-" 100 " T2 = 0 0 T4 .... ~ ® T5 e QI
C
= 80 QI " QI 0
""""'" :1 "'C 60 0 0 e :1
"'C QI 40 el) ~
0 ~
= QI ~ ~ 20 :1 0 ~
0 0% 10% 20% 30%
Concentration des fibres de bois
Figure 4.10 Pourcentage de variation du module en flexion en fonction de la
concentration en fibres de bois (300-600 ~m).
Wetzel et al. [27] ont également étudié le comportement des résines époxydes
renforcées avec des nanoparticules comme Ah03 et Ti02. ils ont constaté que la présence
de nanoparticules dans les résines époxydes améliore le module et la résistance avec la
concentration en nanoparticules .. Pour 10% de nanoparticules, la résistance à la flexion
augmente de 16%. Dans notre cas, on observe que la présence de Hi-Sil T700 dans le T2
donne une augmentation de 25% pour le module en flexion. Cette augmentation demeure
82
constante quand on utilise des fibres de bois.
On observe que le plus grand module en flexion pour les différents types de
résines sans ajouter de fibre de bois est obtenu en utilisant les deux durcisseurs comme
agents réticulants (T5). L'ajout de fibres de bouleau jaune augmente dans tous les cas le
module en flexion.
4.2.2 Tests en torsion
Dans la littérature, aucun article n'a été trouvé au sujet du comportement en
torsion des résines époxydes avec ou sans fibres naturelles. Ce type d'analyse peut
cependant révéler des informations au sujet du transfert de charge de la résine époxyde
vers les fibres. Un balayage en déformation à une fréquence de 1 radis a été initialement
fait dans le but d'identifier la zone linéaire viscoélastique de nos matériaux. Dans le cas
présent, une déformation de 0,7% a été choisie et permet de tester les échantillons en
déformation élastique seulement.
La Figure 4.11 présente des courbes du module de torsion en fonction de la
fréquence pour quatre échantillons T1.3, T3.3, T6.3 et T7.3 qui représente les quatre
différents types de fibres naturelles utilisées comme renforcement pour les résines
époxydes (bois, sisal, lin et chanvre).
83
1000 ~------------------------------------------------~----~
•••••••••••••••••••• ............... ~~~~~ 000 00 0 0 0 0 0
100 0.1
D D D D D
1
Fréquence (radIs) Figure 4.11 Module en torsion en fonction de la fréquence.
10
T1.3 D T3.3 • T6.3 • T7.3
100
Les résultats montrent bien que les tendances sont similaires pour toutes les fibres.
Dans tous les cas, on observe une faible augmentation du module avec la fréquence car
les matériaux sont viscoélastiques. Par contre, on observe que toutes les courbes sont
quasi parallèles. Dans ce cas, il est possible de faire des comparaisons en utilisant
seulement une seule fréquence. Ici, on utilise 1 rad/s.
Suite à cette analyse, la Figure 4.12 illustre les modules en torsion pour différentes
résines époxydes avec ou sans agent de couplage en fonction . de leur teneur en bois dans
les tests Tl, T2, T4 et T5 et avec la même résine époxyde en fonction des différentes
fibres naturelles comme le bois, le sisal, le lin et le chanvre dans les tests Tl, T3, T6 et
T7.
84
800
Tl
" Tl.
700 D T3
~ 0 T4
~ 0 TS ~ ~ Â T6 '-" • T7 • = 600 0 0 .-r.Ij 0 ~ 0 • ~
= ~ 500 • ~
" ...... = 0 "'C D 0
~ i 400 •
300 ~----------------~--------------~~--------------~ 0% 10% 20% 30%
Concentration de fibres naturelles
Figure 4.12 Module en torsion en fonction de la concentration de fibres naturelles (300-
600 ~m).
A véc ces résultats, la Figure 4.13 montre les comparaisons entre la résine époxyde
selon leur pourcentage de charge en fibres naturelles de divers types en relation avec le
pourcentage de l'augmentation de leur module en torsion.
85
100
.--.. ~
Tl '-"
= 80 D T3 0 . .,. Â T6 rLJ
~ • 0 T7 ..... = QJ 60 QJ --= "t:S 0 8 = 40
"'C QJ 0lJ ~ ..... + = QJ ~ 20 ~ = D 0 ~
o~------------------~----------------~----------------~
0% 10% 20% 30%
Concentration de fibres naturelles
Figure 4.13 Pourcentage de variation du module en torsion en fonction de la
concentration de fibres naturelles (300-600 ~m).
La Figure 4.13 permet de conclure que le module en torsion augmente aussi de
façon linéaire avec ~'augmentation du pourcentage des fibres naturelles. La variation
diffère aussi en fonction du type de fibres utilisées. On observe que le module en torsion
le plus élevé est obtenu avec 30% de fibres de bois et le plus faible avec le sisal. Le
module en torsion pour les fibres de bois est 72% plus élevé que pour les fibres de sisal.
Dans la Figure 4.14 on compare les différents types de résines époxydes et de
°nanoadditif selon le pourcentage de charge en fibre de bois (bouleau jaune) en relation
avec le pourcentage d'augmentation de leur module en torsion.
86
100
---~ --- 80 Tl = 0 \l T2 ...... rI1 a.. 0 T4 0 ~ 60 = CV TS ~ • ~
""""'" CV = ~ 40 0 0 8 •
= "'= ~ 20 \l OJ) ~ 0 ~ = ~ ~ ~ 0 = 0 ~
-20 0% 10% 20% 30%
Concentration des fibres de bois
Figure 4.14 Pourcentage de variation du module en torsion en fonction de la
concentration en fibres de bois (300-600 ~m).
Les fibres de bois (bouleau jaune) augmentent dans tous les cas le module en
torsion. On observe que le plus haut module en torsion est obtenu pour 30% de fibres de
bois et le plus faible pour les échantillons T4. La présence de Hi-Sil comme nanoadditif
dans la T2 réduit le module en torsion. Si on compare les pentes de ces tests, on observe
que la plus grande pente est pour les échantillons Tl et la plus faible pour les échantillons
T5.
87
4.2.3 Tests en traction
Les tests en traction sont complémentaires aux tests en flexion et en torsion
puisqu'ils permettent d'étudier les matériaux à grande déformation jusqu'à leur rupture.
Ces tests permettent d'évaluer le module élastique (E), la contrainte maximale (lTM),.la
contrainte à la rupture (aR) ainsi que leur déformation correspondante (GM et GR). Les tests
en traction ont été faits à une vitesse constante de 1 mm/min, ce qui représente une faible
vitesse pour des échantillons de résines époxydes (ASTM D638).
La Figure 4.15 présente des courbes · de contrainte en fonction de la déformation
pour quatre échantillons T1.3, T3.3, T6.3 et T7.3 qui représentent les quatre types de
fibres naturelles utilisées comme renforcement pour les résines époxydes (bois, sisal, lin
et chanvre).
18
16 T1.3
14 D T3.3
• T6.3
--- • T7.3 ~ 12 ~ ~ '-" 10 a,j ..... = .•
8 ~ -..... = 0 6 U
4
2
0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.()18
Déformation (-)
Figure 4.15 Courbes contrainte-déformation pour des tests en traction.
88
Les courbes de traction illustrent quelques caractéristiques marquantes pour des
composites fibres naturelles/résines époxydes. D'abord, les résines époxydes renforcées
avec des fibres naturelles présentent une déformation élastique, mais elles ne présentent
pas vraiment de déformation plastique (Figure 4.15). La présence des fibres diminue
cependant la valeur de la contrainte maximale en traction, mais augmente le module
élastique.
On voit bien que les tendances sont similaires dans le cas des quatre types de
fibre. La différence entre les quatre fibres est la valeur du module élastique qui est plus
élevée pour les fibres de bois et plus faible pour les fibres de lin.
La Figure 4.16 illustre les modules en traction pour différentes résines époxydes
avec ou sans de nanoadditif en fonction de leur teneur en bois dans les tests Tl, T2, T 4 et
T5. Également, la Figure 4.16 montre que les modules en traction pour la même résine
époxyde en fonction des différentes fibres naturelles comme le bois, le sisal, le lin et le
chanvre dans les tests Tl, T3, T6 et T7.
1200
1100
-- 0 ~ 0 ~
~ 1000 0 '-" .. ~ • 1
= 900 .~ ~ ~ ~ ~ ~
800 = ~
~
:; "0 700 Q
~
600
500 0%
Tl T2 T3 T4 TS T6 T7
o • .. .
10%
" D • ..Â
20%
Concentration de fibres naturelles
·30%
Figure 4.16 Module en traction en fonction de la concentration en fibr~s naturelles (300-
600 ~m).
89
La Figure 4.16 permet efficacement de comparer les matériaux en fonction des
types de résines époxydes et des types de fi~res. On observe que la rigidité des résines
époxydes dépend de la teneur en fibres naturelles. Le module en traction augmente de
façon linéaire avec la concentration ,en fibres naturelles dans la résine époxyde. En fait, la
faible cohésion entre le résine époxyde et les fibres naturelles permet aux fibres de se
. retirer de la matrice polymère (fibre pull-out) sans se fracturer lorsque l'échantillon est
soumis à une grande contrainte longitudinale. Ceci implique que l'interface fibre
naturelle/résine époxyde ne permet pas à la matrice polymérique de tirer profit du plein
potentiel des fibres naturelles. À ce sujet, Gikuru et al.[38] ont démontré que les fibres de
sisal donnent une augmentation du module en traction avec la concentration des fibres.
La Figure 4.17 montre les comparaisons entre la résine époxyde selon le
pourcentage de charge en fibres naturelles de divers types en relation avec le pourcentage
de l'augmentation de leur module en traction.
80
...-T1 ~
D T3 E~
= • T6 0 • .- 60 T7 ~ ~ ~ ~ ~
= ~
~
13 "'Q 40
~~ 0 e = D "'C
~~ ~ • e.«l ~ ~
20 = ~ D • ~ ~ • = 0 • ~
0 0% 10% 20% 30%
Concentration de fibres naturelles
Figure 4.17 Pourcentage de variation du module en traction en fonction de la
concentration en fibres naturelles (300-600 ~m).
90
Par exemple, une augmentation de 30% d~ fibres de bois dans la résine nous
donne une augmentation de 67% du module en traction. On observe que le plus haut
module de traction est pour 30% de fibres de bois et le plus faible est avec le lin. Le
module en traction pour les résines époxydes renforcées par de fibres de bois est 24%
plus élevé que les résines époxydes renforcées par de fibres de lin.
Les résultats de George et al.[36] ont montré que l'ajout de 35% de fibres de lin
donne une augmentation de 200/0 du module en traction pour les résines époxydes
renforcées avec ces fibres. De la Figure 4.17, on peut observer une augmentation
similaire dans notre cas. L'ajout de 30% de fibres de lin dans le T6 donne une
augmentation de 25% du module en traction.
La Figure 4.17 permet de conclure que le module en traction augmente selon
l'augmentation du pourcentage de fibres naturelles et diffère selon le type de' fibres
utilisées.
La Figure 4.18 montre les comparaisons entre les différents types de résines
époxydes et de nanoadditif selon leur pourcentage de charge pour les fibres de bois
(bouleau jaune) en relation avec le pourcentage de l'augmentation du leur module en
traction. Georges et al. [36] ont rapporté des résultats sur la résistance à la traction des
résines époxydes renforcées avec des fibres de 'lin avec différents traitements. Ces
traitements donnent dans la plupart des cas une amélioration des propriétés en traction.
Dans la Figure 4.18, on observe que la présence de nanoadditif diminue la résistance en
traction.
91
80
.-.. Tl ~ T2 C 60 0 T4 0 0
0 TS ... .. ~ ~ Jo. CV .. c
40 ~
~
"3 "'0 0 e = 20 "'O . ~ el) ~ .. C ~ ~ 0 Jo. = 0 ~
-20 ~------------~--~------------------~----------------~ 0% 10% 20% 30%
Concentration des fibres de bois
Figure 4.18 Pourcentage de variation du module en traction en fonction de la
concentration en fibres de bois (300-600 ,.,.,m).
On observe que le plus haut module en traction pour les différents types de résines
sans ajouter de fibre de bois est obtenu en utilisant les deux durcisseurs comme agents
réticulants (T5). Les fibres de bouleau jaune augmentent dans tous les cas le module en
traction .
. L'évaluation de la contrainte maximale atteinte et de sa déformation
correspondante obtenue lors des tests en traction pour les résines époxydes renforcées
avec des fibres naturelles de 300-600 ,.,.,m sont présentées aux Figures 4.19-20.
Globalement, l'augmentation de la proportion des fib~es naturelles a un effet négatif sur
ces valeurs: elles diminuent toutes les deux. À titre indicatif, on observe dans notre cas
que la contrainte et la déformation des résines époxydes contenant 30% de fi,bres
naturelles sont toutes les ' deux approximativement 50% inférieures à celles de la matrice
polymère.
92
50 ~------------------------------------------~
,-.. ~ 40 Tl ~
~ V T2 ~
D T3 QI ...... 0 T4 ~
8 0 T5 .,.. ~ Â T6 ~ 0 8 • T7 QI 20 @ ~ = • ~ . ,.. ~ .. Â ~ = • 0 10 U
o ~------------~------~------~------------~ 0% 10% 20% 30%
Pourcentage de fibre naturelles (% )
Figure 4.19 Contrainte maximale en traction pour les résines époxydes renforcées avec
des fibres naturelle (300-600 ~m).
,-..
~ 5 ---QI ë; S .,..
4 ~ ~
Tl T2
D T3 S 0 T4 QI ~
= .; .. ~
= 0 C.J 2
0 T5 .& T6
• T7 Q ®
~ -,.~ • • .&
= 0 1 .,.. ~ • ~
S .. ~ 0 'QI Q 0% 10% 200/0 30%
Pourcentage de fibre naturelle (% )
Figure 4.20 Déformation à la contrainte maximale en traction pour les résines époxydes
renforcées avec des fibres naturelle (300-600 ~m).
93
TI est possible que la présence .des fibres naturelles dans le polymère accroisse
l'inhomogénéité de l'échantillon .en introduisant plus de défauts dans le volume. Selon les
Figures 4.19-20, on peut conclure que la contrainte maximale et la déformation à la
contrainte maximale décroît avec la teneur en fibres naturelles, et ce, pour toutes les types
des fibres qui ont été étudiées.
Pour les propriétés à la rupture, les Figures 4.21-22 présentent respectivement
l'effet de la teneur en fibres naturelles sur la contrainte et la déformation à la rupture.
14
.-.. ~ 12 ~ ~ '-' ~ "'-
10 :s ~
~ 8 :s "'-~ -- 6 ,,~
0 ~ ~ 0 = .. 4 e ~ "'- Â ~ = + 0 2 U
0 0%
Tl T2 T3 T4 T5 T6 T7
+
g
+ Â
10%
o ~ o
t
20%
Pourcentage de fibre naturelles (%)
30%
Figure 4.21 Contrainte à la rupture en traction pour les résines époxydes renforcées avec
des fibres naturelle (300-600 ~m).
5
,..-.. Tl ~ ~ 4 ~
\l T2 D T3 ..
= 0 T4 ~
Q. (!) T5 = 3 .. • T6 ~ ..... • T7 ;~
= 2 0 .-~ ~ e
~
~ * .. ~ 1 • ,~
Q
0 0% 10% 20% 30%
Pourcentage de fibre naturelle (%)
Figure 4.22 Déformation à la rupture en traction pour les résines époxydes renforcées
avec des fibres naturelle (300-600 ~m).
94
On observe que il n'a pas une très grande différence entre le comportement de la
résine époxyde et celui de la résine époxyde renforcées avec différents types de fibres
naturelles de 300-600 ~m. En effet, la contrainte à la rupture moyenne des échantillons
qui ne contienne pas de fibres est de 12 MPa tandis qu'elle est de 7 MPa pour les résines
époxydes renforcées avec 30% de fibres naturelles. Par ailleurs, la différence entre la
contrainte maximale et la contrainte à la rupture des résines époxydes renforcées avec des
fibres naturelles implique que la présence des fibres infère une qualité ductile à la matrice
polymère. Ceci se voit aussi par une diminution des déformations à la rupture.
95
4.3 Tests mécaniques (fibres naturelles de 125-300 J.1m)
Pour permettre une meilleure comparaison entre les types de fibres qui renforcent
les résines époxydes et leurs propriétés mécaniques, des tests complémentaires avec des
fibres de 125-300 (lm ont été faits en broyant les fibres de 300-600 (lm.
Dans les tests avec ces fibres, on a réussi à fabriquer des composites homogènes
avec des fibres de bois jusqu' à une concentration de 30%, mais seulement jusqu' à une
concentration de 10% pour les autres fibres parce qu'elles absorbent toute la résine et
empêche un mélange homogène. Ceci est dû au fait que la réduction de la taille des
particules augmente la surface à recouvrir. Selon Oksman et al.[37], une augmentation de
la longueur des fibres diminue leur force parce que le nombre de défauts est plus élevé.
Dans notre cas, les fibres les plus petites entrainent une diminution des propriétés
mécaniques, causée par la présence de la farine des fibres naturelles.
4.3.1 Tests en flexion
À l'aide de l'Équation (3.1), on a calculé les modules en flexion pour la même
résine et différents types de fibres avec les longueurs de 125-300 (lm. La Figure 4.23
montre bien que les modules augmentent avec l'augmentation du pourcentage de fibres
naturelles et diffère selon le type de fibres. Les valeurs rapportées représentent une
moyenne d'un minimum de cinq échantillons.
La Figure 4.23 illustre les modules en flexion pour la même résine époxyde en
fonction des différentes fibres naturelles comme la fibre de bois dans le test TIl avec des
concentrations de 0, 10, 20 et 30% de fibres et aussi le sisal, le lin et le chanvre dans les
tests T12, T13 et T14 avec des concentration de 0 et 10% de fibres.
96
1050
TIl
1000 + Tl2 ,-. • Tl3 ~ ~ [] Tl4 ~ --- 950 ~ ~
1
= 0 .- 900 ~ + ~ C
= ~ a,)
850 ..... = ~ 0
~ 800 •
[]
750 0% 10% 20% 30%
Concentration de fibres naturelles
Figure 4.23 Les modules en flexion en fonction de la concentration en fibres naturelles
(125-300 ~m).
La Figure 4.23 permet de conclure que le module en flexion augmente selon
l' augmentation du pourcentage de fibres naturelles et diffère en fonction du type de fibres
utilisées. On observe que pour 10% de fibres naturelles, le plus haut module en fle~ion
est donné par le chanvre et le plus petit par le sisal.
La Figure 4.24 compare les résines époxydes selon leur pourcentage de charge en
fibres naturelles de divers types en relation avec le pourcentage d' augmentation de leur
module en flexion.
97
40
...-.. ~ TIl --- ~ = Tl2 0 • Tl3 .- 30 ~ ~ [] Tl4 = = ~
~ .... = "C 20 0 e . ~ = "C Q) Ol) ~ ....
10 = ~ ~ -= • 0 ~
C
0 0% 10% 20% 30%
Concentration de fibres naturelles
Figure 4.24 Pourcentage de variation du module . en flexion en fonction de la
concentration en fibres naturelles (125-300 flm).
Une comparaison entre les fibres de 125-300 flm (Figure 4.23) et les fibres de
300-600 flm (Figure 4.8) donne une réduction des modules d'environ 10%.
4.3.2 Tests en torsion
La Figure 4.25 illustre les modules en torsion pour la même résine époxyde en
fonction des différentes fibres naturelles utilisées.
98
750
700 TIl
+ Tl2 ~
650 • Tl3 ~ ~ [] Tl4 ~ "-'
= 600 0 . .,. r.I'J. - 550 0 ~
= ~
~ 500 ...... ::1
"'0 0
~ 450
400
350 0% 10% 20% 30%
Concentration de fibres naturelles
Figure 4.25 Module en torsion en fonction de la concentration en fibres naturelles (125-
300 ~m).
La Figure 4.25 permet de conclure que le module en torsion augmente selon
l'augmentation du pourcentage des fibres naturelles et diffère en fonction des types de
fibres utilisées. On observe que pour 10% de fibres naturelles, le plus grand module en
flexion est donné par le chanvre et le bois avec des mêmes valeurs similaires. Le plus
faible module est donné par le lin.
La Figure 4.26 montre les comparaisons entre les résines époxydes selon leur
pourcentage de charge en fibres naturelles de divers types en relation avec le pourcentage
d'augmentation de leur module en torsion.
---~ ---= .9 Ç/)
'-0 .... = ~
~ :; "'C 0 e = "'C ~ =t) ~ .... = ~ (;J
'-= 0 ~
100
80
60
40
20
o 0%
99
TIl
+ Tl2
• Tl3 [] Tl4
10% 20% 30%
Concentration de fibres naturelles
Figure 4.26 Pourcentage de variation du module en torsion en fonction de la
concentration en fibres naturelles (125-300 ~m).
On observe que les fibres de 125-300 ~m (Figure 4.26) possèdent un module en
torsion 10% supérieur en comparaison avec les fibres de 300-600 ~m (Figure 4.13). Ce
résultat peut être relié à l'orientation des fibres dans la matrice. Néanmoins, plus de
travaux seraient nécessaire car aucune donnée n'a été trouvée dans la littérature sur le
sujet.
4.3.3 Tests en traction
Les tests en traction sont complémentaires aux tests en flexion et en torsion
puisqu'ils permettent d'étudier les matériaux à grande déformation jusqu'à leur rupture.
La Figure 4.27 illustre les modules en traction pour la même résine époxyde en fonction
100
des différentes fibres naturelles comme la fibre de bois dans le' test T Il et aussi le sisal, le
lin et le chanvre dans les tests T12, T13 et T14.
950
900 TIl
+ Tl2 ..-. • Tl3 ~ ~
850 [] Tl4
~ '-"
~ 1
= 800 0 .-..... ~ ~ -..... 750 = ~
~ IlIIOOII
= "e 700 0
~ []
650 t
600 0% 10% 20% 30%
Concentration de fibres naturelles Figure 4.27 Module en traction en fonction de la conc,entration en fibres naturelles (125-
300 ~m).
La Figure 4.27 permet de conclure que le module en traction augmente selon
l'augmentation du pourcentage de fibres naturelles et diffère selon le type de fibres
utilisées. On observe que pour 10% de fibres naturelles, le plus haut module en traction
est donné par le bois et le plus faible par le lin.
La Figure 4.28 compare les résines époxydes selon leur pourcentage de charge en
fibres naturelles de divers types en relation avec le pourcentage d'augmentation de leur
module en traction.
101
60
..-.. ~ TIl '-'
50 + = Tl2 0 Â Tl3 .• ......
[] ~ Tl4 Cd - 40 ......
= ~
~ ~
= "e 30 0 e = "e aJ 20 OJ) Cd ...... = ~ ~
10 [] -= t 0 ~
0 0% 100/0 20% 30%
Concentration de fibres naturelles
Figure 4.28 Pourcentage de variation du module en traction en fonction de la
concentration en fibres naturelles (125-300 ~m).
Encore une fois, le nombre restreint de résultats indique une augmentation linéaire
des modules avec la concentration de fibre, avec le bois donnant · toujours les meilleurs
résultats.
L'évaluation de la contrainte maximale et de sa déformation correspondante lors
des tests en traction pour les résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles de
125-300 ~m est présentée aux Figures 4.29-30. Globalement, l'augmentation de la
proportion des fibres naturelles a un effet négatif sur ces valeurs et diminue à la fois la
contrainte en elle-même ainsi que la déformation correspondante. À titre indicatif, on
observe dans notre cas que la contrainte et la déformation des résines époxydes contenant
10% de fibres naturelles sont toutes les deux d'approximativement 40% inférieures à
celles de la matrice polymère.
102
25
.-. ~ 4~ ~ 20 ~ ---~ --~
15 e • . -~ [] ~ e + ~ 10 T Il ~ + T 12 = .- • ~ T 13 ., ~ [] T 14 = 5 0 U
0 0% 10% 20% 30%
Pourcentage de fibre naturelle (%)
Figure 4.29 Contrainte maximale en traction pour les résines époxydes renforcées avec
des fibres naturelle (125-300 ~m) .
.-. ~ 5 ---~ ,... = e .- 4 ~ ~ e ~ ~ = 3 .-= ., ~ c 0 ~ 2 ~ ,...
.... = = 0 1 .-~ ~ e ., ~ 0 ,~
Q 0% 10% 20%
TIl + T12 ' • Tl3 C Tl4
Pourcentage de fibre naturelle (%)
30%
Figure 4.30 Déformation à la contrainte maximale en traction pour pour les résines
époxydes renforcées avec des fibres naturelle (125-300 ~m).
103
Encore une fois ici, il est possible que la présence des fibres naturelles
dans le polymère accroisse l'inhomogénéité de l'échantillon de façon à introduire plus de
défauts dans la composite. Selon les Figures 4.29-30, on peut conclure que la contrainte
maximale et la déformation à la contrainte maximale décroissent avec la teneur en fibres
naturelles, et ce, pour toutes les types des fibres qui ont été étudiées.
D'un autre côté, la contrainte et la déformation à la rupture sont présentées en
fonction de la teneur en fibres naturelles aux Figures 4.31-32.
25
~
~ ~
~ 20 '-' QJ s.... = ......
15 Q.c = s.... ~ --I~ 10 TIl QJ + Tl2 ...... = 0 • Tl3 .,.. ~ s.... IJ Tl4 ...... 5 + = 0
U
0 0% 10% 20% 30%
Pourcentage de fibre naturelle (%)
Figure 4.31 Contrainte à la rupture en traction pour les résines époxydes renforcées avec
des fibres naturelles (125-300 ~m).
---~ '-' ~ ~
= .... ~
= ~
~ ...... .. ~
= 0 .-.... ~ e ~
~ ,~
Q
5
4
3
2
1
0 0% 10% 20%
TIl + Tl2 Â Tl3 [] Tl4
Pourcentage de fibre naturelle (%)
104
30%
Figure 4.32 Déformation à la rupture en traction pour les résines époxydes renforcées
avec des fibres naturelles (125-300 ~m).
On observe une différence minime entre le comportement de la résine époxyde et
celui de la résine époxyde renforcées avec différents types de fibres naturelles de 125-
300~m .. En effet, la contrainte à la rupture moyenne des échantillons ne contenant pas de
fibres est de 14 MPa, tandis qu 'elle est de 8 MPa pour les résines époxydes renforcées
avec 10% de fibres naturelles. Par ailleurs, la différence entre la contrainte maximale et la
contrainte à la rupture des résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles implique
que la présence des fibres infère une qualité dùctile à la matrice polymère. Ceci peut aussi
se voir par la diminution de la déformation à la rupture.
105
Chapitre 5
Conclusions et RecoDlDlandations
Dans ce travail, plusieurs résultats ont été obtenus sur la fabrication et la
caractérisation des résines époxydes renforcées avec différents types de fibres naturelles
en utilisant différentes résines, durcisseurs et agent de couplage.
Ces composites sont constitués de résidus de fibres de bois, sisal, lin et chanvre.
Ces fibres sont incorporées dans une matrice de résine époxyde (polymère
d'épichlorhydrine et de bisphénol A avec un durcisseur qui est une polyamine à base
d'eau). Un agent de couplage (Hi-Sil T-700) a été utilisé dans le cadre de cette recherche
pour voir son effet sur l'adhérence entre les fibres et la matrice.
De plus, on a utilisé deux solvants différents (Epodil 748, Alcool benzylique) pour
réduire la viscosité des résines. Comme le durcisseur utilisé est à base d'eau, on a utilisé
de l'eau comme solvant. Le~ travaux avai~nt également pour but d'analyser l'effet des
paramètres de mise en œuvre sur la morphologie et les propriétés mécaniques des
échantillons.
Afin d'étudier ces matériaux, un plan expérimental de 64 expériences a été choisi.
L'effet des fibres a d'abord été analysé en variant la teneur en fibres naturelles de 0, 10,
20 et 30%. Cette plage a été jugée suffisante puisque les fibres ne sont pas parfaitement
enrobées par la résine lorsque leur teneur est supérieure à 30% en volume. Aussi, on a
utilisé deux longueurs différentes de fibres: 300-600 ~m pour les fibres longues et 125-
300 ~m pour les fibres courtes. Ceci permet une comparaison en fonction de la longueur
des fibres.
Des résines époxydes avec différentes teneurs et types de fibres naturelles ont été
produites. Les matières premières ont d'abord été mélangées dans un bécher, coulées
dans un moule et laissées pendant 30 jours. Par la suite, les échantillons ont été coupés à
106
.l'aide d'une presse en différentes formes pour l~s tests mécaniques à accomplir. On a par
la suùe comparé leur structure et leurs propriétés dans des conditions similaires. Voici
quelques conclusions sur les résultats présentés.
, 5.1 Morphologie
L'analyse microscopique des résines époxydes avait pour but de déterminer la
morphologie des fibres naturelles. Afin d'obtenir des résines époxydes homogènes avec
différentes concentrations de fibres naturelles, le choix des conditions de moulage
optimales doit être fait. Pour y parvenir, on a utilisé une pression pour extraire l'air des
échantillons. En général, la densité des composites époxydes diminue avec
l'augmentation de la concentration des fibres naturelles parce que la densité des fibres
naturelles est plus faible que la densité des résines époxydes. Néanmoins les valeurs
diffèrent en fonction du type de fibres naturelles utilisées.
5.2 Module en flexion
Les tests en flexion montrent que le module augmente avec la présence de fibres
naturelles.
Pour les résines époxydes renforcées avec différentes concentrations de fibres
naturelles de 300-600 ~m et dans les conditions testées, on a obtenu des modules en
flexion entre 764 et 1555 MPa. Les valeurs diffèrent en fonction du type de fibres
utilisées et aussi en fonction des résines, durcisseurs ou agents de couplage. Ona constaté
que le meilleur module a été obtenu avec les fibres de bois, dans le test T 1 avec 1300
MPa, qui représente une augmentation de 70% du module en flexion. Dans le cas des
différents polymères, le meilleur module a été obtenu avec la résine Epon 828 et le
mélange de deux durcisseurs Anquamine 401 et Anquamine 701 dans le test T5 avec
1555 MPa.
107
Pour les résines époxydes renforcées avec différentes concentrations de fibres
naturelles de 125-300 ~m et dans les conditions testées, on a obtenu des modules en
flexion entre 757 et 1033 MPa. On a constaté que dans le cas de 10% de fibres, le
meilleur module en flexion est obtenu avec les fibres de chanvre dans le test T 12 avec
897 MPa.
On peut constater que les modules en flexion diminuent avec la diminution des
tailles de fibres et augmentent avec la concentration des fibres naturelles.
5.3 Module en torsion
Pour les résines époxydes renforcées avec différentes concentrations de fibres
naturelles de. 300-600 ~m et dans les conditions testées, on a obtenu des modules en
torsion entre 371 et 775 MPa qui différent en fonction du type de fibres utilisées et aussi
en fonction des résines, durcisseurs ou agents de couplage. On a constaté que le meilleur
module a été obtenu avec les fibres de bois, dans le test Tl avec 775 MPa, qui représente
une augmentation de 92% du module en torsion. Dans le cas des différents polymères, les
meilleurs m~dules ont été obtenus avec la résine Epon 828 et le durcisseur Anquamine
401 dans le test Tl avec 775 MPa.
Pour les résines époxydes renforcées avec différentes concentrations de fibres
naturelles de 125-300 ~m et dans les conditions testées, on a obtenu des modules en
torsion entre 385 et 710 MPa. On a constaté que dans le cas de 10% de fibres, le meilleur
module en flexion est obtenu avec les fibres de chanvre dans le test T 12 avec 475 MPa.
On peut constater que les modules en torsion diminuent avec la diminution des
tailles de fibres et augmentent avec la concentration des fibres naturelles. Néanmoins, le
module en torsion augmente significativement avec la teneur en fibres naturelles. Par
contre, cette augmentation est deux fois supérieure en flexion qu'elle ne l'est en torsion;
ceci implique que le transfert de charge entre la matrice de la résine époxyde et les fibres
naturelles dépend fortement de la nature de la contrainte appliquée.
108
5.4 Module en traction
Pour les résines époxydes renforcées avec différentes concentrations de fibres
naturelles de 300-600 ~m et dans les conditions testées, on a obtenu des modules en
traction entre 633 et 1062 MPa qui différent en fonction du type de fibres utilisées et
aussi en fonction des résines, durcisseurs ou agents de couplage. On ~ constaté que le
meilleur module a été obtenu avec les fibres de bois, dans le test Tl avec 1062 MPa, qui
représente une augmentation de 67% du module en traction. Dans le cas des différents
polymères, les meilleurs modules ont été obtenus avec la résine Epon 828 et le mélange
de deux durcisseurs Anquamine 401 et Anquamine 701 dans le test T5 avec 1100 MPa.
Pour les résines époxydes renforcées avec différentes concentrations de fibres
naturelles de 125-300 ~m et dans les conditions testées, on a obtenu des modules en
traction entre 613 et 906 MPa. On a constaté que dans le cas de 10% de fibres, le meilleur
module en flexion est obtenu avec les fibres de bois dans le test T Il avec 715 MPa.
La contrainte maximale, ainsi que la déformation qui lui est associée, ont diminué
d'approximativement 50% lorsqu'on compare la matrice polymère au composite
contenant 30% de fibres naturelles. Des conclusions similaires sont obtenues pour les
mêmes propriétés à la rupture.
Les tests en traction montrent que le module élastique augmente avec la présence
des fibres naturelles et diminue avec la réduction de la taille de fibres.
5.5 Recommandations
Au cours de ce travail, des caractérisations ont servi à déterminer la densité, la
morphologie et les propriétés méc~niques (flexion, torsion et traction) des résines
époxydes renforcées avec des fibres naturelles. Afin de compléter ce travail, il serait bon
de modifier l'instrument pour le moulage afin d'assurer la reproductibilité des conditions
109
de production des résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles. Ceci serait utile
afin d'obtenir des propriétés supérieures.
Le procédé général de fabrication semble adéquat, mais l'étape de compression
pourrait être améliorée, notamment par l'ajout d'un système utilisant une presse. De plus,
il serait intéressant d'utiliser différents ' polymères, autres que le polymère
d'épichlorhydrine et de bisphénol A. Le même exercice pourrait être fait avec différents
durcisseurs et d' autres types de fibres naturelles afin d'améliorer la production de résines
époxydes renforcées avec des fibrys naturelles et d'obtenir de l'information sur la relation
entre le procédé et la structure.
Au point de vue mécanique, des tests supplémentaires comme la compression et la
résistance à l'impact pourraient être utiles afin d'obtenir encore plus d'informations sur la
relation entre la structure et la résistance d'unè résine époxyde renforcée avec des fibres
naturelles.
En terminant, beaucoup de travail serait encore nécessaire afin d'améliorer les
comportements des fibres naturelles comme renforcement pour les résines époxydes. On
parle ici d'optimiser les tailles, concentrations et traitement de surface.
110
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40. ASTM D790 Annual book of ASTM standards, American Society for Testing and
Materials (1988).
113
Annexe A
InforlDations sur la prelDière résine utilisée
Technical Data Bulletin
H ION~ IllyC Il t
EPONTM Resin 828
RP: 3075 Re-issued: September 2005
Introduction EPONlM Resin 828 is an undiluted clear difunctional bisphenol Alepichlorohydrin derived liquid epoxy resin. Wh en cross-linked or hardened with appropriate curing agents, very goOO mechanical, adhesive, dielectric and chemical resistance properties are obtained. Because of this versatility, EPON Resin 828 has become a standard epoxy resin used in formulation, fabrication and fusion technology.
Features • Fiber reinforced pipes, tanks and composites • Tooling, casting and molding compounds • Construction, electrical and aerospace adhesives • High solidsllow VOC maintenance and marine coatings • Electrical encapsulations and laminates • Chemical resistant tank linings, flooring and grouts • Base resin for epoxy fusion technology
Typical Properties Property Test Method Unit g/eq Epoxide Equivalent Weight 1 ASTM 01652
Viscosity @ 25°C 2 ASTM 0445 P Color ASTM 01544 Gardner Pounds per Gallon @ 25°C (7rF) lbs/gal Oensity @ 25°C (7rF) glml Physical form
mmHg
Specifie heat BTUllbr F 1 ASTM 01652 (Epoxy Content of Epoxy Reslns - Perchloric Acld Method)
2 ASTM 0445 (Kinematic Viscosity - Determinatin of the Viscosity ci Liauids by Ubbelohde Viscometer).
Value 185-192 110-150 1 max.
9.1 1.16
Clear liquid 0.03 1.573 0.5
114
Annexe A (suite)
RP: 3 75 EPO Resin 828 Page 5
Figure 1 / Viscosity at 25 oC of EPONTM Resin 828 blends with various diluents
.; Il
& t ci ~ ::" 10 1~ N
1ii fi >: ~ ~ 1i
§ 0 ' U fit
:;:: :;::
, '--__ '---__ L--_-----l'---_---'~_~ 0.1
o 5 10 15 20 25
Amount of diluent, %w
Fusion Technology EPON Resin 828 is the product of choice for a resin chemist using a specifie fusion catalyst when processing proprietary solid epoxy resins or epoxy esters. Upon request, Hexion Specialty Chemicals can provide EPON Resin 828 exhibiting extremely low hydrolyzable and total chlorine, two end groups that may be deleterious to resin curing and long term performance in electrical uses.
FDA Status Provisions are made in the FDA regulations for the use of [PON Resin 828, when properly formulated. applied and cured, forfood contact applications under Title 21 Code of Federal Regulations 175.300. The regulations should be consutted for complete details. In particular, we direct your attention to subparagraph (b) of 21 CFR 174.5 and the general provisions applicable to indirect food additives listed there.
Identification and Chemical Abstract Service Registry Number. 25068-38-6 (EPNTSCA inventory designation) Classification
Generic name: Liquid Bisphenol A Epichlorohydrin based epoxy resin.
Chemical designatiore Phenol, 4,40 - (l-methylethylidene) bis-polymer with (chloromethyl) oxirane.
115
AnnexeB
InforDlations sur la deuxièDle résine utilisée
'EQuadra Fiche signalétique Valida.cd and verified by: Regula'ory Affairs / Affaires réglementaires Date de validation 7n12005.
SIMDUT Vêtemenb de protection TMD routier / ferroviaire
IsectiorÜ1Ujaentlfiœtioli ~jdu 1pT:odUifcl1lmlque ~etiie1 ~iiiiiompagnie ~~~ 11n11 ~jjjjj j 1Uj1 jjj H j ~jjjjjH j ~jjjn1jj 1j jjjj j j j~j1jj l
Résine époxyde BE188 Code
Synonyme Manufacturier
Fournisseur
Utilisations
004376
Non disponible.
Non disponible.
OUADRA CHEMICALS L TD. 370. boul. Joseph-Carrier Vaudreuil-Dorion QC J7V 5V5 Tel: (450) 424-0161
Burlington ON Tél: (905) 336-9133 Delta BC Tél: (604) 940-2313 Edmonton AB Tél: (780) 451-9222 Calgary AB Tél: (403) 232-8130
Applications industrielles: Adhésif.
INCIDENT EN COURS DE TRANSPORT - 24 HRES/JOUR - 7 JOURS/SEMAINE PARTOUT AU CANADA 1 ONYX INDUSTRIES - APPELER 1-800-465-0911
Nom No CAS
polymère d'épichlorhydrine et de bisphénol A 25068-38-6
%en poids
60-100
Limites d'exposition
Non disponible.
Consulter les responsables locaux compétents pour connaître les valeurs considérées comme acceptables.
Vue d'ensemble des urgences
Voies d'absorption
CAUSE UNE IRRITATION DES VOIES RESPIRATOIRES, DES YEUX ET DE LA PEAU. PEUT CAUSER UNE SENSIBILISATION DE LA PEAU.
Contact cutané. Contact avec les yeux. Inhalation. Ingestion. Effets aigus potentiels sur la santé
Yeux Provoque une irritation des yeux.
Peau Cause une irritation de la peau. Peut causer une sensibilisation de la peau. Peut être absorbé par la peau. Peut entraîner une dermatite.
Inhalation Cause une irritation des voies respiratoires.
Ingestion Peut être nocif en cas d'ingestion.
EIfeCs chroniques potentiels EFFETS CANCÉROGÉNES Non disponible. sur la santé EFFETS MUTAGÈNES Non disponible.
EFFETS TÉRATOGÉNESNon disponible. TOXICITÉ POUR LE DÉVELOPPEMENJNon disponible. Peut entraîner une dermatite.
Conditions médicales Aucune information additionnelle. aggravées par une iurexposition
116
Annexe C
InforOlations sur le preD1ier durcisseur utilisé
AIR .1;,.. PRODUCTS -..:::,
Epoxy Curing Agents and Modifiers
Anquamine® 401 Curing Agent
DESCRIPTION
Anquamine 401 waterbome curing agent is a modified al~hatic amne supplied at 70 ~ solids in water. is intended for use with waterbomeepoxy dispersions in twocomponent, ambient~ure , waterbome epoxy coatilgs. Anquamine 401 curing ,agent can also be utilized with different types of epoxy resin depending upon the properties desired.
A DVAN TAGES
• Excellent glO5S and gloss retenton • Good oolor • Excellent stain resistanœ • ExceJlent hardness development • Rapid dry time • No induction time • Very low odor • Easy dean up
APPLICA TIONS
• Floor and wall coatilg sealers, priners and topcoats
• Industrial maintenanœ, general metal. and transportation primers and topooats
STORAGE lIFE
At leas! 24 ITK>nths trom the date of manufacture in the original sealed container at ambient tempe rature. Store away from exœssive heat and humidity in tightly cl(}sed containers. Do not freeze.
HANDLING PRECAUTIONS
Refer to the Material Safety Data Sheet for Anquamine 401 curing agent
TYPtcAL PROPERTIES Appearanœ
Color 1 (Gardner)
Visoosity2 @ 77 OF (cP)
Spedtic Gravity3
Density3 Clb/q all
>200 AHEW (lheoretica ll 200 Nonvolatie lOlo) 7 Volatile Cont.ent \tater
USE LEVELS* PHR Liguid Eooxv (EEW=1901 65--80 Semi-Solid Epoxy tEEW=245l 50-60 Solid Epoxy lEEW=530-7151 5--30 Ancarez AR550 . 15-30
* Anquamine401 curing agent is often fonnulatec:/ with 30-60% ex cess epoxy.
TYPtcAL CURE SCHEDULE
2 to 10 days at ambiant temperatures.
AS M D 1544-80 2 AS M D 445-83, Brooktield, R\lTD, Spindle 4 3, AS M D 1475-85
The Î'1brna&lncœt;ioed heœÎ1 k c6red .eûcba-getCl" use by QBcfn~1y qualified plll'5Dmel .lheŒd~~ <ni . stalBlI'IIIrl i!IIcbnc.. idmn;I&ln and ra-.omnerda "oœ cortained he II! " aœ ba!edœ De5lundda wlli:ll 'MI! bU!rie ~be II! bJ \he .DU'~y or ooctllil!_ell'areo ŒÎ~UlQIIll88d ... dro W~r:q~~II:'1 " & _ w1h 1I!!p!IQ~"
Pub. No. 125-9744
AnnexeD
InforlDations sur le deuxièlDe durcisseur utilisé
Epoxy Curing Agents and Modifiers
Anquamine® 701 Curing Agent
Description Anquamine 701 is a water-based epoxy curing agent tha le s you create unique microperous systems tha are breathable and water vaper permeable preven ing delamina ·on and blisterîng. This means floors can be laid and retumed to service quic Iy, 'Mthout the extra cos s involved wi1h reducing moisture conten of the concrete. It is based on a polymerie emulsioo and, as a resu , provides superior performance for a wide range of applications. It has been developed primarîly for use with liquid epoxy esins, out-performing solid esin emulsion-based sys ems by offering the capability to fo mulate systems' ·th zero VOC and 1 ·thout resin e u ifiers .
Advantages Flooring systems with high permeability -100 ·mes 9 ea er than typical cycloaliphatic-based systems
Excellent adhesion to green concrete after only 24 hours of cure
• Very fast film drying with liquid epoxy, and fast through-cure even at lav\' temperatures (doNn 05 oC)
• Visible end of pot-lite as evidenced by a rapid inorease in visoosity
Low viscosity
Low-cost systems based on high filler levels, particu!arly in f100ring applica ·ons
• Very low free-amine content
• Very 9000 early water resistance
• Temperature and shea -stable
Applications • Self-leveling and trowelab!e f100rs
High-gloss to matte top coats Grouts and putties Inslitutional coatings
tell me more http://www.airproducts.com
Typical Properties Opaque YelioN Emulsion
5000 - 1000 130 - 65
1.08 300
53 - 57
40 - 70
2 - 5
0.75 - Phase 2 4 0 - Phase 3 6.50
Persoz Hardness@ 24 hours 200 @7days 350
Storage Lite A least 24 months from the da e of manufac ure in he original sealed container at ambien emperatu e.
S ore away trom excessive heat and humidity in tigh Iy closed containers. Do not treeze.
Handling Precautions Refe to the aterial Safety Data Sheet for Anquamine 701 curing agent.
Typical Cure Schedule 7 days a ambient tempera ure.
117
118
AnnexeE
Inforntations sur le prentier solvant utilisé
AIR 1. PRODUCTS t.:.;
Epoxy Curing Agents and Modifiers
Epodil® 748 Reactive Diluent
DESCRJPTION
Epodil 748 reac Ove dîl ent is an al ipha "c glycidyl ether, comparable 0 Epoxide 8.1 1 " a monofunc "onal eactive diluent used to red ce the IfÎSCOS"ty of epoxy resin sys ems. Since monof ne "on al dil ents, in gene al, ca se moleoular weight chain e . na ion, the minimum amount necessary to achieve the desired viscosity reduction shou d be used.
Epod"1748 reac ove djluenl is particularly useful w'here lOIN volatility levers are required 50 hal prob ems in poorly ven ilated areas are minimized. 1 can be used in acoordance 'Ii '. 2 CFR 75.300 as a component of FDA-compliant fo lations. Slight increases in po r e can be expected 'Nhen 5-20% of Epodil748 reactive djl ent is bl:ended 1 ·th typical Ijquid epoxy resins.
ADVANTAGES
aw ,tapor pressure and 10'# oxicity • Improves flexibility • Improves adhesion 0 non-polar surfaces
APPLICATIONS
• F ooring, mortars and grouts • High and OO~o-solids coatings
aminales • Exposed aggregate .
STORAGE UFE
ftJ leas136 months from he date of manufac ure in the original sealed container a ambient temperature. Store away from excessive heat and humidily in tightly d osed containers.
HANDLING PRECAUTIONS
IRefer to the Malerial Safety Data Sheet for Epodil 748 reactive diluent.
TYPICAL PROPERTIES
>200 o.
o 7.3-7.5
0.1 290
See Table
SUPPLEMENTARY DATA Epodi1 748 reaoti lfe dil'uenl can be used as follows to lowe the viscosity of a standard Bisphenol-A liquid epoxy resin (EEW=190) w' h an ini "al IfÎSoositv of 12 SOO cP: Weiaht Percent Epodil 748 (%) Viscosrtv @ n F (cP)
5 4 000 10 050 5 500
20 300
Trademar, of Procte & Gamble Corporation
Pub. No" 125-9720.4
119
AnnexeF
Infortnations sur le deuxiètne solvant utilisé
no Naveon Ka la ma, Ine. 1296 NW Third A .venue. Kalama. WA 98625
360/673-2550 Phone 360/673-3564 Fax
Noveon Kalama EfDergency Phone: 1-360-673-2550 CHEMTREC: 1-800-42 9300
1.
CHEMICAL NAME:
SYNONYM: FAMILY:
PRODUCT INFORMA TION
BENZYL ALCOHOL Alpha hydroxy toluene. Pheny1methanol Aromatic alcohol
MOLECULAR FORMULA; . MOLECULAR WEIGHT:
Ct;HsCH20 H (C7HeO) 108.1
CAS REG#:
Il.
WARNINGI
/II.
APPEARANCE J 'ODOR: WEIGHT PER GALLON: VAPOR PRESSURE: SPECIFie GRAVITY: SO~UBILITY IN WATER: EVAPORATION RATE:
IV.
FLASH POINT (Tee); .AUTOIGNITION TEMP:
FIREand EXPLOSION HAZAROS~
FJRE FtGHTING 'INFORMATION:
. Rev 00
100-51 -6
SUMMARY OF HAZARDS
CAUSES EVE IRRITATION ... rs A SEVERE EVE IRRITANT EXPOSURE TO VAPORS MAY CAUSE HEADACHE, OIZZINESS, AND NAUSEA OVER-EXPOSURE MAY CAUSE CENTRAL NERVOUS SYSTEM DEPRESSION MAY CAUSE SKtN IRRITATION HARMFUL IF SWALLOWED
PHYS/CAL PROPER71ES
Coloriess liquid wlth an aromatic odor. 8.7# BOIUNG POINT: < 0.1 mm Hg @ 20°C (68&F) MEL TING POINT: 1.045 @ 77°F (H20 ;: 1) % VOLATilE: Moderate (-~S%) VAPOR DENSITY: <0.01 (Butyl ~cetate = 1)
401 oF (205~C)
+4.5°F .(-15,3°C) 100 3.7 (AJr ~ 1)
FIRE AND EXPLOSJON HAZARD INFORMA TION
21 O~F (9B.9"C) 8171}F (436 C C)
FLAMMABLE LIMITS: DECOMPOSITION TEMP:
Not determined Not datermined
Decomposition under tI re conditions will generate carbon monoxide and may generate other oxic vapors.
Use C02, foarn, or dry chemical to extînguish fite. Water can be used te cool a tire 1 but for extlnguishment t foam or dry chemical are preferred. AvoÎd spreading liquid and fi re by water flooding. Wear se!f~con ained, posiUve pressure breathing apparatus and full firefighting protective cfothing. Use water to keep containers cool.
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Annexe G
InforDlations sur le troisièDle solvant utilisé
Fiche de Données de Sécurité
LA7535 Alkasurf CQ-720/EP
Produit Id: LA7535 Nom du produit: A1kasurf CO-720/EP Synonymes: Nonylphenoxy poly( ethyJeneoxy)ethanol, branched Famille chimique: Aucun connu. Application: Surfactif.
Distribué par: Stochem Speciality Chemicals a Division of Univar Canada Ud. 9800 Van Home Way, °
Richmond, BC. V6X 1W5
Préparé par: Le Département Santé, Sécurité & Environnement Date de préparation de ra FS: 23 janvieOr 2006 Numéro de téléphone (Canada): 1-866-686-4827
Numéro de téléphone d'urgence (CANUTEC): (613) 996-6666
Ingrédients
Nonylphenol polyethoxylate 68412-54-4
Remarque: Aucune remarque additionnelle.
Effets aiguê potentiels aur la santé:
DLSO et CL50; voie et espèces:
Oral LD50: 510 mg/kg (Rat)
Contact Avec Les Yeux: Provoque une grave irritation des yeux. Provoque des rougeurs et des larmoiements. Contact Avec La Peau: Peut causer une légère irritation, accompagnée de malaises et d'une rougeur locale. Inhalation: Une inhalation est peu probable. Peut causer une irritation des voies respiratoires. Ingestion: Nocif si ingère. Peut causer une irritation gastrointinale, la nausee, des vomissements èt la diarrhee.
LA7535 Alkasurf CO-7201EP
120
121
AnnexeH
Inforntations sur l'agent de couplage utilisé
PPG Silica Products offers a product line of synthetic amorphous
precipitated silica thicken ing agents that are rheology modrfiers
and anti-saglsuspension agents for polyester gel coat ings,
p last isols, inks, adhesives caulks and sealants. Our products
co ver a wide range of median partiele size and surface area
performance p roperties in order to provide you w ith maximum
formulation flexibility.
Benefits • Compatib le with a range of floccu lants, associative thickeners ,
and d ispersion aids
• Adjusts rheology wit hout changing other system character istics
• Enhanced thixotropy in non-polar solvent systems
Typical Properties
Hi-Sil T-690
Hi-Sil T -700
Hi-Si! T -15 2
Hi-Sil T-600
Particle Size1
(IJm)
2
4
4 .5
5.5
, Median partiels s ize by laser diffraction
SET Su rface Area (m 2/g)
170
220
150
170
pH 6.9
6 .9
6.9
6.9
Product Offering Hi-Sil T-690
Hi-Sil T-700
Hi-Sil T -1 52
Hi-Sil T-600
Hi-Sil thickening agents are
ideally suited for applications
that inc/ude industrial, architec
turaI, au tomotive, and specialty
coating finishes.
USA· PPG Silica Products • Customer Service: 1-800-243-6745 • Technical Service: 1-800-764-7369 EUROPE • PPG Industries Chemicals bv • Customer Service: +31-596-676710 • Technical Servioe: +1-724-325-5369