Influence du taux de fibres sur la stabilité thermique des composites

Dans un premier temps, la décomposition thermique du polyéthylène entre 23 et 1150°C sous azote a été étudiée (Figure 111).

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Figure 111 - Perte de masse par thermogravimétrie (TG (%)) et Dérivée de perte de masse

(DTG (%.min^-1)) du PE

La décomposition du PE commence à 348°C et se fait en une seule étape à 478°C ce qui correspond à la rupture des liaisons C-C de la chaîne principale, cette décomposition n’entraine pas de masse résiduelle (Figure 111).

Ensuite, la décomposition thermique des fibres de lin entre 23 et 1150°C sous azote a été étudiée. Les analyses ont été menées sur des fibres courtes séchées à 30°C pendant une semaine et sur des fibres courtes et longues non séchées.

D’après la Figure 112, toutes les fibres de lin présentent trois régions de perte de masse et une masse résiduelle. La première région est située entre 33 et 200°C. Dans cette région, la perte de masse enregistrée est de 4,5% pour les fibres courtes non séchées avec une température maximale de 107°C et de 5,4 ±0,5% pour les fibres longues avec une température maximale de 118,4°C. Pour les fibres courtes séchées, la perte de masse est de 2,3% à une température maximale de 128°C. Cette première perte de masse correspondrait à la déshydratation des fibres (Pillin et al., 2011; Van de Velde et Kiekens, 2001).

La deuxième zone de perte de masse est située entre 200 et 388°C, elle semble se produire en deux temps comme le montre les courbes dérivées de perte de masse DTG. On observe un épaulement entre 200 et 273°C, puis une importante perte de masse entre 273 et 383°C.

Pour la zone de l'épaulement, la perte de masse enregistrée pour les fibres de lin non séchées est de 2,9 ± 0,4% pour les fibres courtes et de 2,6% pour les fibres longues. Pour les fibres de lin séchées, la perte de masse dans cette zone est de 4,8%. Cette perte serait essentiellement liée à la décomposition des fibres par dépolymérisation des pectines (Van de Velde et Kiekens, 2001) ainsi qu'un début de décomposition des hémicelluloses. La plus importante perte de masse des fibres entre 273 et 388°C est de 62,2%±0,5 pour toutes les fibres. Cette décomposition serait associée principalement à la dépolymérisation de la

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cellulose et des hémicelluloses (Kim et al., 2006 ; Pillin et al., 2011; Van de Velde et Kiekens, 2001).

La troisième zone de perte de masse a été déterminée entre 367,5°C et 1147°C. Les pertes de masse enregistrées dans cette zone sont de 17,6% pour les fibres courtes séchées et non séchées et de 15,7% pour les fibres longues. Elle traduit la dégradation du composé phénolique présent dans la lignine (Pillin et al., 2011).

Après ces trois étapes de décomposition, la présence d'une masse résiduelle a été notée. Elle est de 17,1%±0,1 pour les fibres courtes et longues non séchées et de 14,5%±3,0 pour les fibres courtes séchées. Cette en masse résiduelle correspondrait aux cendres.

Figure 112 - Perte de masse par thermogravimétrie (TG(%)) et Dérivée de perte de masse (DTG (%/min)) des fibres de lin courtes et longues

Concernant les composites, l’analyse des résultats présentés dans la Figure 113 montre que tous les composites présentent une première perte de masse entre 29 et 218°C. Cette perte est de 0,7%, 2,7% et 1,4%±0,1 respectivement pour les composites avec 18% en masse, 38% en masse et 42% en masse avec anhydride maléique. Cette perte correspondrait principalement à l’eau présente dans le composite. Cette perte confirme que la présence de l'anhydride maléique permet de limiter la quantité d'eau présente dans le composite.

Ensuite, les composites présentent trois étapes de pertes de masse. La première étape est située entre 220 et 373°C. Elle représente une perte de 14,3%±0,4 pour le composite renforcé par 18% en masse de fibres, de 27,1%±0,2 pour le composite renforcé par 38% en masse de fibres et de 29%±1 pour le composite renforcé par 42% en masse de fibres avec un agent de couplage. Cette dégradation peut être associée à la dépolymérisation des pectines ainsi que la dégradation de la cellulose et des hémicelluloses.

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La deuxième étape de dégradation a eu lieu dans la zone entre 378 et 490°C pour le composite avec 18% en masse de fibres et entre 378 et 493°C pour les deux autres composites. La perte de masse enregistrée est de 84,7%±0,6 pour le composite avec 18% en masse, de 63,6%±0,3 pour le composite avec 38% en masse et de 63%±1,2 pour le composite avec 42% en masse. Elle correspond à la dégradation du PE et un début de dégradation de la lignine des fibres.

La dernière étape de décomposition thermique (Figure 113 a et b) correspond à la dégradation entre 495 et 665°C pour le composite avec 18% en masse (A (a)) avec une perte de 3,7%. Cette zone est située entre 498 et 1018 pour le composite avec 38% en masse (A (b)) avec une perte de masse de 8,5%. Ces deux composites ne présentent pas de masse résiduelle. La dégradation dans cette zone serait liée à la décomposition de la lignine. Pour ce qui est du composite avec 42% en masse et un agent de couplage, sa dernière étape de décomposition se situe entre 498 et 1078°C avec une perte de 9,3% et une masse résiduelle de 0,5%.

Figure 113 - Evolution de la stabilité thermique des composites PE/fibres de lin (A): Perte de masse par thermogravimétrie (TG(%)); (B): Dérivée de pertes de masse DTG (%.min-1)

(A)

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Ces résultats montrent l'influence du taux de fibres sur la décomposition thermique des composites. De nouvelles régions de décomposition apparaissent avec la présence de fibres. A partir de 220°C, les fibres se dégradent dans le composite ce qui peut être une limite au développement de ces matériaux du fait des températures de mise en œuvre.