Cristallisation

Lors de l’ajout des fibres, le polymère subit une transformation physique et chimique en son milieu. Ce phénomène s’appelle la cristallisation. Les thermoplastiques sont des polymères semi cristallin qui se composent d’une phase amorphe et d’une phase cristalline. La cristallinité des HDPE et PET se trouvent à environ 60 à 70%. Quand les renforts sont introduits, ils induisent la cristallisation. Une observation par MEB dans la Figure III-33 montre que la fibre de chanvre est entourée par la phase cristalline.

Figure III-33 Cristallisation autour de la fibre. Image extraite de Talla et al. (2013)

La phase cristalline est celle qui rend le polymère plus rigide. Vu que la zone cristalline autour de la fibre est assez large, on pourrait imaginer que la majorité de la matrice s’est transformée en phase cristalline avec seulement une petite quantité de fibres. Cette hypothèse est soutenue par le faite que la déformation à la rupture du PET chute de 40% à seulement 5% quand 5 wt% de fibres de chanvre sont ajoutées, pareillement pour celle du HDPE qui chute de 108% à 5% avec 20

wt% de particules de bois. La Figure III-34 extraite de Pickering et al. (2011)

montre la phase cristalline autour de la fibre ainsi qu’au milieu de la matrice. Le fait que les cristaux sont présents aléatoirement dans la matrice et non seulement autour des fibres, on ne peut pas se limiter dans une étude d’interphase. Dans ce cas, il est plus judicieux alors de considérer que les propriétés de la matrice se sont transformées lors de l’ajout des renforts.

Figure III-34 Phase cristalline dans un composite PLA-fibres de chanvre. Image extraite de Pickering et al. (2011)

Le taux de cristallinité dans un polymère ou dans un biocomposite peut être mesuré par un essai de calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Or, il est difficile de déterminer les propriétés de la phase cristalline et de la phase amorphe. D’un point de vue analytique et numérique, il est plus pratique d’analyser les courbes des données expérimentales. Partant de l’hypothèse que les propriétés des matrices sont modifiées lors de l’ajout des renforts, le module de Young des polymères est omis dans cette partie de l’étude. En traçant une droite de tendance pour les deux biocomposites (Figure III-35 et Figure III-36), nous remarquons que l’augmentation du module de Young des biocomposites est linéaire.

Figure III-35 Module de Young expérimental de HDPE-particules de bois sans celui du HDPE y = 8.5641x + 1460.9 R² = 0.9411 1500 1650 1800 1950 14 19 24 29 34 39 44 49 Y o u n g 's m o d u lu s E (M P a )

Sawdust volume fraction Vf(%)

E exp

Figure III-36 Module de Young expérimental de PET-fibres de chanvre sans celui du PET

Les équations des droites de tendance pour le HDPE-particules de bois et PET-fibres de chanvre sont respectivement :

8,564

1461

c f

E

V

Eq. (III.11)

16,34

1364

c f

E

V

Eq. (III.12)

A partir de ces équations, nous en déduisons que les nouveaux modules de Young du HDPE et du PET sont respectivement 1461 MPa et 1364 MPa. Comparés aux modules de Young mesurés par traction, ces modules de Young « ajustés » pour inclure la cristallisation dans les biocomposites sont environ 60% plus élevés. Avec cette augmentation linéaire, il est aussi possible d’estimer le module de Young des renforts Ef à l’aide de la loi de mélange modifiée décrite par l’équation suivante :

(1

)

c m f f f

E

E

V

E V

Eq. (III.13)

Soit β le facteur de correction pour un cas de fibres aléatoires égal à 0,375. Cette équation est confrontée avec les équations Eq. (III.11) et Eq. (III.12) pour obtenir les valeurs de Ef. Les particules de bois ont une rigidité de 6179 MPa alors

que celle des fibres de chanvre est de 7995 MPa. Nous constatons que ces valeurs sont inférieures à celles dans la Section III.2.3. Cette diminution de rigidité s’explique par la fragilité apportée par les contacts entre renforts. L’augmentation

y = 16.34x + 1364 R² = 0.9601 1350 1500 1650 1800 5 10 15 20 Y oung' s m odul us E (MP a)

Fiber volume fraction Vf(%)

E exp

de la rigidité de la matrice causée par la cristallisation et la diminution de rigidité des renforts seraient la meilleure description de la progression du module de Young de ces deux biocomposites.

Figure III-37 Module de Young de HDPE-particules de bois avec propriétés de HDPE ajustées

Figure III-38 Module de Young de PET-fibres de chanvre avec propriétés de PET ajustées

Ces nouvelles propriétés ajustées sont appliquées dans l’homogénéisation numérique et les résultats des calculs sont illustrés dans les Figure III-37 et Figure III-38. Cette méthode a montré la meilleure cohérence entre Enum et Eexp avec une

erreur maximale de 4%. Effectivement, pour les cas de biocomposites avec des

1500 1650 1800 1950 2100 14 19 24 29 34 39 44 49 Y ou ng 's m od ul us E (MP a)

Sawdust volume fraction V_f(%)

E exp E num Linear (E exp) 1350 1500 1650 1800 5 10 15 20 Y ou ng 's m od ul us E (MP a)

Fiber volume fraction Vf(%)

E exp E num Linear (E exp )

progressions de module de Young non linéaire tels que les nôtres, une approche différente des analyses habituelles est nécessaire pour décrire la cristallisation de la matrice. Il a fallu séparer les propriétés des polymères vierges et des biocomposites car les polymères ont subi un changement physique lors de l’ajout des renforts.

III.5. Conclusion

L’étude numérique sur les propriétés mécaniques des biocomposites HDPE- particules de bois et PET-fibres de chanvre a permis une étude profonde sur beaucoup d’aspects de l’élaboration des biocomposites. Les résultats expérimentaux des deux biocomposites ont présenté des tendances moins usuelles. Les données expérimentales suivent une progression quadratique qui prend en compte la fragilité apportée par des contacts fibres/fibres. Une première étude numérique a montré une mauvaise cohérence entre les résultats numériques et expérimentaux, surtout à basse fraction volumique des fibres. A ce pourcentage de fibres, la fragilité causée par les contacts fibres/fibres est minimale et les propriétés des biocomposites devraient coïncider avec les calculs numériques. Or, les résultats expérimentaux sont bien supérieurs aux résultats numériques. Nous avons conduit une recherche de divers facteurs qui peuvent expliquer ce phénomène. Il existe 3 facteurs principaux qui explique une forte augmentation du module de Young des biocomposites à bas pourcentages de fibres :

• Propriétés variables des fibres • Orientation des fibres

• Interphase

L’incorporation de ces facteurs dans les calculs numériques a rapproché petit à petit le grand écart entre les résultats numériques et expérimentaux. Même si une cohérence totale n’est pas obtenue, ils peuvent expliquer la forte augmentation du module de Young des biocomposites. Ces paramètres mettent en évidence des difficultés rencontrées pendant la formulation des biocomposites. Un mélange entre les renforts végétaux et les matrices polymériques pourrait présenter des résultats inattendus. Il se peut que tous les 3 facteurs ci-dessus soient présents en même temps dans les biocomposites, ce qui permettrait de converger les résultats des

différentes approches. Or, ceci nécessite des analyses expérimentales supplémentaires. Le fait que nous ne pouvons pas simuler numériquement la fragilité causée par les contacts fibres/fibres dans une étude statique et élastique linéaire a également rendu la convergence des propriétés plus difficile.

Nous avons utilisé une autre approche analytique pour essayer de décrire le comportement élastique des biocomposites. Des évidences ont montré que les propriétés des matrices polymères ont été modifiées lors de l’ajout des renforts qui induit la cristallisation. Des nouvelles propriétés de matrice et de renfort ont été tirées de cette analyse. L’homogénéisation numérique avec ces propriétés ajustées a produit des résultats cohérents avec les données expérimentales avec seulement 4% d’erreur maximale. Cette méthode « simpliste » s’avère le meilleur moyen de déterminer les modules de Young effectifs des biocomposites HDPE-particules de bois et PET-fibres de chanvre lorsqu’il y a tant de variables inconnus (propriétés et orientation des renforts, interphase, cristallisation).

Chapitre IV : Etude des propriétés

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