Fabrication et propriétés des nanocomposites

La fabrication par les méthodes SCRIMP et RTM sont possible pour des viscosités maximales de la résine injectée de 1 et 10 Pa.s respectivement. Ceci a donc limité le choix du type de nanoargile ainsi que sa quantité dans la matrice polymère. Deux types de nanoargiles ont été retenus dans ce projet : la Cloisite 11B à 2%wt et 30B à 3%wt. À cause de la limite de viscosité, la fabrication des plaques composites a été réalisée avec les particules C11B dispersées par sonication. L’adaptation et la paramétrisation des deux méthodes de mise en forme a donc été nécessaire afin d’y inclure la matrice nano-chargée. Idéalement, une infusion doit se faire à vitesse constante afin de permettre une bonne imprégnation des fibres et ainsi limiter la formation de micro et macro-vides dans la pièce qui conduit à des défauts structurels. La vitesse d’infusion est étroitement liée à la pression de vide à l’évent qui est limitée entre -30 kPa et -70 kPa pour éviter l’évaporation du styrène présent dans la résine polyester insaturée de même que l’apparition de phénomènes capillaires à faible pression. Par ailleurs, afin de diminuer la

des fibres afin d’uniformiser l’épaisseur du laminé et de ce fait, le taux volumique de fibres. Cette caractéristique est importante, puisque plus le composite est dense, plus le module de flexion et la contrainte ultime seront élevés.

La mise en œuvre des nanocomposites a permis de démontrer une amélioration globale des propriétés mécaniques du même ordre que celle obtenue préalablement pour les échantillons de matrice de résine nano-chargée. Il y a très peu de différences entre les méthodes RTM et SCRIMP, mais la rapidité de fabrication obtenue avec la première technique lui donne un avantage important dans l’éventualité d’une production à grand volume. D’autre part, la méthode SCRIMP permet une infusion plus uniforme et plus stable, donnant lieu à une faible variabilité des résultats des essais mécaniques.

Les essais mécaniques réalisés sur les biocomposites, fabriqués par infusion SCRIMP, ont également démontré que l’ajout d’une faible proportion massique de nanoargiles améliorent le module de flexion du même ordre que les composites renforcés de fibres de verre. Il est possible d’observer que la substitution de ces fibres synthétiques par des fibres de lin n’a pas eu d’incidence sur les interactions matrice-nanoargiles-renfort. De même, la baisse des propriétés mécanique due à la substitution d’une partie de la résine par de l’huile de soja entraîne une baisse des propriétés mécaniques et cette diminution est compensée par l’ajout de nanoargiles. Ceci est prometteur pour les mises en œuvre futures de biocomposites.

Lors de la caractérisation des propriétés ignifuges des composites renforcés de fibre de verre, une baisse de la production de fumée et de la perte de masse a été observée. Celle-ci est semblable à celle obtenue dans le cas des composites qui contiennent de l’ammonium polyphosphate (APP), un retardateur de flamme chimique couramment employé en industrie. Cependant, seulement 3%wt de nanoargiles ont été nécessaire pour égaliser ces performances. L’APP a le désavantage de fragiliser le composite, en plus du gain de masse important de l’ordre de 13% qu’il apporte, étant donné qu’il faut ajouter près de 30%wt pour atteindre les objectifs des normes ASTM et FAA. La substitution de la résine pétrolière par la résine polyester à base d’huile de soja a permis la diminution drastique de la production de fumée de 66%, de la perte de masse de 55% et la longueur brûlée d’environ 50% une fois combiné à des nanoargiles. Cette baisse est

feu en plus de la synergie entre la matrice et renfort nanométrique.

La possibilité de mise en œuvre par injection de résines nano-chargées était le but principal de cette recherche. Il est donc essentiel de tenir compte des effets de la dispersion sur le comportement thermique et de bien comprendre les phénomènes structurels internes qui régissent le matériau. À notre connaissance, la simulation en rhéologie d’un procédé de fabrication n’a jamais été faite auparavant. Cette technique innovatrice permet de prédire le comportement de la résine lors de son injection, afin d’en optimiser les paramètres de fabrication et d’obtenir un nanocomposite performant. Étant donné que la fabrication par le procédé RTM est limitée en terme de viscosité à un maximum de 10 Pa.s, les mélanges dispersés par HSM, dont la viscosité de la résine nano-chargée peut aller jusqu’à 250 Pa.s, ne sont donc pas moulables tel quels. L’utilisation de ce type de dispersion n’est donc envisageable que s’il est possible d’en abaisser la viscosité en dessous de 10 Pa.s. C’est dans cette optique qu’une simulation de mise en œuvre par RTM a été réalisée par l’entremise de la rhéologie. Il a été possible d’établir un parallèle entre ces deux éléments par l’augmentation subite du taux de cisaillement dû à l’injection de la résine dans le moule. En effet, lorsque que le cisaillement augmente brutalement, les nanoparticules s’alignent immédiatement dans le sens de l’écoulement, réduisant ainsi la viscosité du mélange vers de 2 Pa.s, dans la zone de moulabilité pour le procédé RTM. Cet état permet donc une imprégnation adéquate du renfort fibreux. Une fois le cisaillement arrêté, le mélange revient à l’état quasi-statique initial et la viscosité revient à la valeur de départ de 250 Pa. La structure initiale désorganisée des nanoargiles est retrouvée en quelques minutes seulement. Ce phénomène de recouvrance élastique permettant le retour à l’état exfolié est idéal puisqu’il maximisant les interactions renfort-matrice et optimisant ainsi les propriétés du nanocomposite qui sera fabriqué.

Cependant, le temps de recouvrance est limité par le temps de gélification de la résine nano- chargée. Dans le cas des mélanges HSM, le temps de gel est réduit de l’ordre de 66% par rapport à la résine pure. Également, plus le mélange est cisaillé (augmentation du nombre de passes dans le HSM) et plus le temps de gel diminue dû à l’augmentation de la présence de feuillets individuels (exfoliation). Cette observation illustre un effet catalytique important traduisant cette la gélification prématurée de la matrice nano-chargée de même qu’une diminution de la chaleur de réaction durant la polymérisation, observée en calorimétrie à balayage différentiel. Cette

liées entre elles grâce aux nano-feuillets d’argile, se connectent pour former un réseau 3D réticulé à travers les différents sites de nucléation à la surface des nano-feuillets d’argile. Ce temps de gel a donc un impact direct sur la vitesse d’infusion, la température du moule et le mécanisme de polymérisation. Il est donc essentiel que ce temps de gel soit supérieur au temps de recouvrance élastique de la suspension et de permettre au nanoparticules de revenir à leur état exfolié initial et d’ainsi maximiser les propriétés mécaniques et barrières.