Facteurs intrinsèques et extrinsèques influençant la prise de masse dans les

La Figure 135 présente la prise de masse Mt(%) du PE et des composites au cours du temps à 30, 40, 60 et 80°C.

Pour ces conditions de températures et de durée d'immersion, il apparaît que le polyéthylène (PE) seul, vieilli à 30, 40 et 60°C, ne présente pas de prise de masse ; il n’y a donc pas d’absorption d’eau par le PE du fait de son hydrophobie. Lors du vieillissement à 80°C, une légère augmentation de la prise de masse est observée à partir de 10 jours de vieillissement. Cette prise de masse est liée à une oxydation qui sera détaillée dans le paragraphe I.3.

Pour les composites, les courbes présentées en Figure 135 a, b, c et d mettent en évidence une prise de masse progressive avec le temps de vieillissement qui peut tendre vers une asymptote (caractéristique de la masse à saturation) selon les composites et la température de vieillissement. Les prises de masses maximales des différents composites aux quatre températures ont été listées dans le Tableau 25. Les valeurs en italique représentent les prises de masses maximales sans toutefois avoir atteint un palier de saturation.

Tableau 25 - Prises de masse Mt (%) maximales des composites aux différentes températures d'immersion dans l'eau

Température (°C)

30 40 60 80

PE+18% lin 4,0 4,0 4,0 4,6

PE+38% lin 9,1 9,2 9,1 9,1

PE+42% lin+A.C. 7,8 7,8 8,5 8,8

Les premières observations montrent que les prises de masses maximales des composites immergés dans l'eau évoluent différemment selon le taux de fibres et la qualité de l'interface, et sont peu influencées par la température de vieillissement. Ces trois paramètres seront discutés dans la suite.

187

I.1.1.1. Effet du taux de fibres sur les prises de masses

Le comportement des composites avec 18 et 38% en masse de lin montre que plus le taux de fibres augmente, plus les prises de masses sont importantes. Cette augmentation de la masse avec le taux de fibres est liée au caractère hydrophile des fibres et notamment à la formation de liaisons hydrogène entre les molécules d'eau et les groupements hydroxyles et carboxyles des fibres présents dans les pectines, les hémicelluloses et la cellulose (Joseph et al., 2002 ; Dhakal et al., 2007; Beg et Pickering, 2008; Chevali et al., 2010; Arbelaiz et al., 2011). De plus, le ratio des taux de fibres entre les composites avec 38% et 18% en masse est égal à 2,1 et le ratio des prises de masse à saturation est de 2,3. Ainsi, il apparait que les prises de masses à saturation obtenues à 40 et 60°C sont quasiment proportionnelles à la quantité de fibres.

Notons que des observations au microscope optique des coupes transversales des composites (chapitre III- paragraphe 2.3.1) avaient permis de montrer que l'augmentation du taux de fibres améliore leur séparation et leur dispersion dans le composite. On aurait pu penser que ceci favoriserait l'absorption de l'eau dans ces composites du fait d'une surface spécifique plus importante pour les fibres les mieux séparées. D’après les valeurs de prise de masses, l’état de séparation semble cependant n’avoir que très peu d’influence dans ce cas sur la quantité d’eau absorbée.

Ainsi, il apparaît que l'addition des fibres de lin à la matrice polyéthylène induit une augmentation dans la prise de masse d'eau. En utilisant un modèle simple basé sur une loi de mélange et en assumant une faible porosité du composite (Halpin et Kardos, 1976), il a été possible d'estimer la prise de masse des fibres connaissant celle de la matrice et du composite.

Mt _composite = Mt _fibres × xfibres + Mt _matrice × (1- xfibres) ⁽³⁵⁾ A partir des résultats d'absorption d'eau des composites avec 18 et 38% en masse de fibres de lin, il apparait que la prise de masse des fibres maximale est située entre 22 et 24%, cette valeur est située entre celle déterminée par Le Duigou et al., (2014) et Célino et al., (2013), avec une prise de masse à saturation des fibre de lin avoisinant les 12%, et celle obtenue par Stamboulis et al., (2000) de 42%.

188

(a) (b)

(c) (d)

Figure 135 - Evolution de la prise de masse Mt(%) au cours du temps de vieillissement (jours) des composites en immersion aux températures: (a) 30°C ; (b) 40°C; (c) 60°C; (d) 80°C

I.1.1.2. Effet de l'interface sur les prises de masses

L'effet de l'interface a été partiellement évalué en comparant les comportements des composites renforcés respectivement par 38% en masse de fibre de lin et par 42% en masse de fibres de lin avec un agent de couplage. Comme le montre la Figure 135, le composite contenant l’agent de couplage n'atteint pas la masse à saturation à 30 et 40°C. Ce comportement peut s'expliquer par un temps de vieillissement insuffisant pour atteindre la saturation. A 60 et 80°C, il apparaît que la masse à saturation semble être légèrement plus faible pour le composite contenant l'anhydride maléique et par rapport au composite avec 38% de fibre sans agent de couplage et ce, en dépit d'un taux de fibres plus élevé (42% en masse). L'agent de couplage limiterait donc la quantité d'eau absorbée. Cette différence peut s’expliquer par les réactions entre l'anhydride maléique et les groupements hydroxyles des fibres pour former des liaisons ester ou carboxyle (Figure 136) qui diminueraient la quantité des courtes chaines à l'interface fibres/matrice et de ce fait rendre moins accessibles les groupement -OH des fibres aux molécules d'eau (Bledzki et al., 1996).

189

Figure 136- Mécanisme réactionnel possible entre les fibres et l'anhydride maléique montrant

la possibilité de former des liaisons covalente et hydrogène (Bledzki et al., 1996)

I.1.1.3. Effet de la température sur les prises de masses

Il semble que le maximum des prises de masse des composites renforcés soit peu influencé par les températures de vieillissement jusqu’à 60°C (Tableau 24).

A 80°C en revanche, les composites avec 18% et 42% (avec A.C.) en masse de fibres de lin présentent des masses à saturation légèrement plus élevées que celles obtenues aux températures inférieures. Cette augmentation est probablement liée à une évolution des caractéristiques du composite à cette température favorisant la rétention des molécules d'eau. Cette hypothèse sera discutée par la suite (cf. paragraphe I.3.1 ).

Pour le composite contenant 38% en masse de fibres, une chute de la masse dès 10 jours d'immersion à 80°C est observée. Cette évolution laisse supposer qu’une extraction de constituants du composite se serait produite lors de ce vieillissement. Cette hypothèse sera discutée dans le paragraphe I.3.1. Une légère diminution est également observée pour le composite avec agent de couplage, mais semble moins marquée. L’anhydride maléique limiterait cette extraction sans toutefois l’empêcher.

A partir de ces résultats, les prises de masses des composites sont influencées principalement par le taux de fibres dans le composite et dans une moindre mesure par la qualité de l'interface entre fibres et matrice. La température de vieillissement semble avoir peu d’effet sur ces prises de masse entre 30 et 60°C. Cependant, à 80°C, des différences sont observées pour tous les composites dont les causes seront discutées dans la suite de l’étude.

Après avoir présenté les principaux paramètres influençant la prise de masse des composites dans l'eau, la prochaine partie traitera des principaux paramètres influençant le coefficient de diffusion des composites, c'est à dire la vitesse de diffusion des molécules d'eau.

190

I.1.2. Facteurs intrinsèques et extrinsèques influençant le coefficient de diffusion