Orientation des fibres

La fabrication des composites influence beaucoup l’orientation des fibres. Les deux biocomposites PET-fibres de chanvre et HDPE-particules de bois sont mélangés dans un malaxeur et ensuite extrudée. Ces deux procédés assurent un bon mélange et une orientation aléatoire des fibres. Ensuite, les éprouvettes pour l’essai de traction sont élaborées par deux types de procédés. Les éprouvettes du biocomposite HDPE-particules de bois sont préparées par thermocompression alors que celles du biocomposite PET-fibres de chanvre sont préparées par injection. Dans un premier temps, le procédé d’injection fond les pastilles et ensuite pousse le composé vers le moule. Cette force conduit les fibres à suivre la direction de l’écoulement du polymère fondu. Ce phénomène est expliqué en détail par Vincent

et al. (1988) et Trevelyan et Mason (1951). Dans le cas des fibres naturelles, des

études antérieures par Ausias et al. (2013) et Peltola et al. (2011) ont montré la distribution d’orientation des fibres causée par le procédé d’injection. Les différentes orientations des fibres causées par le procédé d’injection sont montrées par la Figure III-23.

Figure III-23 Différentes orientation des fibres dans un composite injecté selon Ho et al. (2012)

Les fibres naturelles sont toutefois plus souples que les fibres synthétiques comme les fibres de verre. Elles sont susceptibles de se tordre pendant le malaxage et l’injection. Peltola et al. (2011) ont observé les fibres de chanvre et de lin qui sont majoritairement orientées selon la direction de l’injection. Effectivement, les fibres sont tordues. Pour déterminer l’orientation de chaque fibre, ils ont mesuré le rapport de forme des fibres. Un rapport de forme plus élevé signifie la direction de

moyen pour déterminer la direction privilégiée par les fibres qui sont tordues dans tous les sens. Ce phénomène pourrait expliquer le comportement de nos biocomposites PET-fibres de chanvre injectés. Pour observer l’effet de l’orientation des fibres sur les propriétés mécaniques du biocomposite, les fibres dans cette partie de notre étude sont alignées pour tous les pourcentages de fibres.

La même méthode de génération de modèle 3D avec DIGIMAT FE est utilisée ici. Les dimensions des fibres sont gardées identiques aux cas précédents Pour cette étude, les fibres sont considérées parfaitement alignées. On peut observer plus facilement l’effet du rapport de forme sur les propriétés mécaniques lorsque les fibres sont alignées. Ces nouveaux modèles sont générés selon les mêmes Vf que le

cas précédent. Les modules de Young des fibres Ef sont également variés selon le

Tableau III-7. La Figure III-24 montre les deux biocomposites avec des renforts complètement alignés.

Figure III-24 (a) Particules de bois et (b) fibres de chanvre parfaitement alignées

Comme le cas précédent, seule les erreurs relatives ΔE sont affichées dans le Tableau III-12 et le Tableau III-13 pour une meilleure interprétation des résultats des calculs. A première vue, les calculs numériques semblent très loin de résultats expérimentaux avec l’erreur ΔE allant jusqu’à plus de 400%. Or, les résultats les plus intéressant se trouvent à basse fraction volumique Vf. Pour les deux

biocomposites, la convergence est obtenue même pour les petits contrastes des propriétés. Avec l’alignement des fibres, l’erreur ΔE à la plus petite Vf ont été

réduite à un minimum de 10% pour le HDPE-particules de bois et 3% pour le PET-

fibres de chanvre. Effectivement, on observe une meilleure cohérence entre les résultats numériques Enum et expérimentaux Eexp dans le cas des fibres alignées à

basse fraction volumique Vf. Or, cette cohérence disparait quand Vf augmente. On

observe une erreur ΔE maximum de 109% et 448% pour le HDPE-particules de bois et PET-fibres de chanvre respectivement.

ΔE (%)

Vf Ef = 6 GPa Ef = 8,1 GPa Ef = 10 GPa Ef = 11 GPa

0 0 0 0 0 0,14 18 14 11 10 0,22 8 0 5 8 0,30 3 15 24 28 0,39 26 47 64 72 0,50 42 72 96 109

Tableau III-12 Erreurs relatives entre le calcul numérique et les données expérimentales du biocomposite HDPE-particules de bois alignées

Figure III-25 Progression de E du biocomposite HDPE-particules de bois aligné

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Y ou ng 's m od ul us E (MP a)

Sawdust volume fraction Vf

Le grand rapport de forme des fibres de chanvre a apporté une meilleure rigidité au biocomposite lorsqu’elles sont alignées. Une augmentation nette est observée en comparant la Figure III-26 et la Figure III-22. Cet effet de rapport de forme est moins prononcé dans le cas des particules de bois. Le rapport de forme de 2 augmente peu le module de Young du biocomposite. Effectivement, l’effet de rapport de forme est observé dans cette partie.

ΔE (%)

Vf Ef = 15 GPa Ef = 25 GPa Ef = 45 GPa Ef = 70 GPa

0 0 0 0 0

0,05 3 18 51 82

0,10 40 85 158 232

0,15 66 129 235 344

0,20 81 160 299 448

Tableau III-13 Erreurs relatives entre le calcul numérique et les données expérimentales du biocomposite PET-fibres de chanvre alignées

Figure III-26 Progression de Enum du biocomposite PET-fibres de chanvre alignées

0 2000 4000 6000 8000 10000 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Y ou ng 's m od ul us E (MP a)

Hemp fiber volume fraction Vf

Cette étude considère un cas extrême où toutes les fibres sont alignées. En réalité, il existe une distribution de l’orientation des fibres où seulement une partie des fibres est alignée selon la direction de l’injection. Considérons les propriétés des fibres alignées le seuil maximum et celle des fibres aléatoires le seuil minimum. Avec une fonction de distribution d’orientation des fibres bien définie, les propriétés du biocomposite figurent entre ces deux extrémités. La convergence entre les résultats expérimentaux et numériques des biocomposites HDPE-particules de bois et PET- fibres de chanvre pourrait être obtenue ainsi. Or, l’étude expérimentale sur l’orientation des fibres dans notre cas n’a pas été réalisée. Effectivement, l’orientation des fibres causée par l’injection expliquerait le problème de convergence observé au début de l’étude.

Figure III-27 Contrainte équivalente de von Mises sur les (a et c) microstructures et (b et d) leurs déformées après l’essai de traction

(a)

(b)

Les biocomposites dans ce cas des fibres alignées sont anisotropes et la recherche de leurs modules de Young se réalise en appliquant des essais de traction selon la direction des fibres. La Figure III-27 montre les contraintes équivalentes de von Mises sur les deux types de biocomposites. Les chargements sont portés par les renforts où on observe la majorité des contraintes. Leurs déformées sont des élongations selon la direction de traction.