Les procédés de fabrication des composites bois polymères (CBP)

2.4. Structure sandwich

2.5. Analyses des travaux sur les structures sandwichs

REVUE DE

LITTERATURE

2

CHAPITRE 2: La revue de la littérature

Une revue bibliographique sur les matériaux composites en construction sandwich est présentée dans ce chapitre. Cette revue débutera avec une exposition plutôt générale des matériaux composites et leurs procédés de fabrication. Dans un second temps, l’accent sera mis sur les composites à structure sandwich, leurs différents constituants, l’intérêt de leur utilisation ainsi que les différents domaines d’application. Enfin on présentera une revue des travaux réalisés concernant les problèmes relatifs à la mise en forme des composites de grande épaisseur.

2.1 Généralités sur les matériaux composites :

2.1.1 Introduction

Une définition générale d’un matériau composite est donnée par Berthelot « un matériau composite est constitué de l’assemblage d’au moins deux matériaux non miscibles et de nature différente, se complétant et permettant d’aboutir à un matériau dont l’ensemble des performances est supérieur à celui des composants pris séparément ». Pris sous cette acception, un matériau est constitué de différentes phases nommées renforts et matrice. Lorsque le matériau composite est non endommagé, les renforts et la matrice sont parfaitement liés et il ne peut y avoir ni glissement ni séparation entre les différentes phases. Les renforts se présentent sous forme de bres continues ou discontinues. Le rôle du renfort est d’assurer la fonction de résistance mécanique aux efforts. La matrice assure quant à elle la cohésion entre les renforts de manière à répartir les sollicitations mécaniques. Nous notons généralement deux types de matrice : la matrice minérale (céramique et métallique) et la matrice organique (les thermoplastiques et les thermodurcissables). Cette dernière catégorie fera l’objet de notre étude.

Figure 2-1 : Matériau composite

2.1.2 Les polymères synthétiques

Selon leur comportement vis-à-vis de la chaleur, les polymères peuvent être divisés en deux grandes classes: les thermoplastiques et les thermodurcissables. Les thermoplastiques, peuvent se ramollir chaque fois qu'ils sont portés à une température déterminée après leur mise en forme (Polypropylène PP, Polyéthylène PE, Polychlorure de vinyle PVC, etc.).

L'autre groupe est celui des matériaux polymères thermodurcissables (Époxy, Polyuréthanne, colles phénoliques, etc..). Ces polymères ont des structures réticulées, formant un réseau 3D et caractérisés par des liaisons covalentes qui assurent les pontages entre les chaînes. Chaque polymère de ces deux groupes possède un ensemble de propriétés et de procédés de fabrication spécifiques. Cependant, l'incorporation de charges (ou renforts) peut modifier leurs caractéristiques physiques et mécaniques (Trotignon et al., 1996; Nabi Saheb et al., 1999).

2.1.2.1 Les thermodurcissables

Les thermodurcissables sont des plastiques à base de polymères qui, ayant subi une réaction chimique (amorcée par la chaleur, par les catalyseurs ou par la lumière UV), se transforment en un produit relativement infusible et insoluble. Il se trouve à l'état réticulé.

Ces polymères se comportent donc comme le béton : après la réticulation, on ne peut plus les fondre ou les mouler à nouveau.

Les plastiques thermodurcissables typiques sont les phénoliques, les polyuréthanes, les mélamines, les urées formaldéhydes (urée-formols) et Ceux à base de résines époxydes.

Les colles, ou polymères thermodurcissables, sont largement utilisés pour le collage du

bois ou dans les composites à base de bois, en particulier ceux à base de fibres cellulosiques (koubaa, 2005).

Les thermodurcissables sont utilisés comme adhésifs pour le bois et les fibres de bois. Les adhésifs (résines) les plus couramment employées par l'industrie des panneaux de bois sont l'urée formaldéhyde (UF) (Xing, 2003), le phénol formaldéhyde (PF) et les colles isocyanates (Rosthauser et al, 1997). L’adhésion résine-bois est très importante pour améliorer la qualité des produits finis. Les bois les plus difficiles à coller sont les bois riches en résines, gommes ou matières huileuses (pin maritime, teck). D'autre part, la teneur en humidité du bois a des effets sur l'adhésion puisqu'un excès d'eau dans le bois risque de diluer la résine. D'autre part, un manque d'humidité peut provoquer une prise trop rapide (Xing, 2003) . Le tableau 2-1 montre les principales caractéristiques des résines thermodurcissables.

Tableau 2-1: principales caractéristiques des résines thermodurcissables. (SLAMA, Décembre 2008)

: densité; MOE: Module d'élasticité (en flexion) ;

R: Résistance à la traction ; Tc : Teneur à la chaleur continue

Les polyuréthanes (PUR)

Ce sont des matériaux dont les caractéristiques sont très variées avec une grande diversité de textures et de duretés. Les polyuréthanes sont les polymères les plus utilisés pour faire les mousses. En fonction des associations chimiques réalisées avec différents

monomères on peut obtenir des colles, des élastomères, des fibres (Licra) des mousses souples ou rigides grâce à des agents d’expansion, des polyuréthanes solides et compacts que l’on peut renforcer par de la fibre de verre. On les utilise pour fabriquer des matelas, des sièges de voiture, des tableaux de bord, des roues de patins à roulettes ou des chaussures de ski…

Les polyesters insaturés

Le polyester (figure 2-2) sert surtout à fabriquer des fibres textiles artificielles, Les tissus produits sont brevetés sous les noms de Dacron, de Tergal ou de Térylène. La fibre polyester est la plus produite dans le monde car son utilisation très est répandue dans l'habillement. Ses applications se sont aussi diversifiées dans l'industrie, notamment sous forme de films destinés à l’agriculture, aux travaux publics, aux coques et cabines de bateaux, aux carrosseries d'automobiles, aux piscines.

Figure 2-2: Les polyesters insaturés

Les phénoplastes (PF) :

Dans ce groupe, une des plus anciennes matières plastiques connue est la Bakélite. Ce matériau providentiel a eu d'innombrables applications dans le domaine scientifique et dans la réalisation d'objets : téléphones, postes de radio. Ces résines thermodurcissables

résistent très bien aux produits chimiques et à la chaleur. Elles sont aussi électriquement isolantes. On peut les transformer par moulage et par compression pour fabriquer les poignées de casserole, de fer à repasser et des plaques de revêtement.

Les aminoplastes (MF)

Ces produits résineux sont essentiellement utilisés en stratification sur des textiles plastifiés, les panneaux de bois agglomérés pour le mobilier de cuisine et les plans de travail. Le tableau 2-2 regroupe quelque propriété des thermodurcissables

Tableau 2-2: Propriétés des résines thermodurcissables

Nom de la

Avantages Limites d’utilisation

Polyester insaturé (UP)

60-120

Bonne résistance

chimique, Mise en œuvre facile, Prix réduit

Retrait au moulage

important, forte

inflammabilité et faible résistance en fatigue

Epoxy (EP)

90-200

Haute performance en résistance et rigidité, Très faible retrait au moulage, Stabilité dimensionnelle

120-200 Haute rigidité Fragile, Inflammable

Venylesters

(VE) 100-130

Cuisson à température ambiante, Haute résistance chimique, résistance mécanique, et ductilité.

2.1.2.2 Les thermoplastiques :

Les thermoplastiques ramollissent sous l'effet de la chaleur. Ils deviennent souples, malléables et durcissent à nouveau quand on les refroidit. Avant transformation, ils sont sous forme de granulés ou de poudre dans un état chimique stable et définitif car il n’y a pas de modification chimique lors de la mise en forme. Les granulés sont chauffés puis moulés par injection et le matériau broyé est réutilisable. Comme cette transformation est réversible, ces matériaux conservent leurs propriétés et ils sont facilement recyclables.

Ils sont utilisés comme éléments décoratifs dans diverses applications (le bâtiment, la construction, etc.). Les thermoplastiques sont généralement des matériaux ductiles. Le tableau 2-3 montre quelques caractéristiques des polymères thermoplastiques les plus couramment utilisés.

Tableau 2-3: caractéristiques de quelques thermoplastiques (Bailon & Morin, 2005)

Polymères Densité MOE A (⁰/0) R(IZOD) Tfle (⁰C) (N/mm²) (N/mm²) (KJ/m²)

PVC 1,5 50 2400 10-50 - 60

PS 1,05 40 2800-350 4 - 90

HDPE 0,95 30-35 1000 700-1000 5 77

PET 1,39 2,5 3400 90 3 80

PMMA 1,19 65 3300 4 15 95

PP 0,91 20-40 1100-1600 200-1000 - 100 : Résistance à la traction ; MOE Module d’élasticité en flexion

A : Allongement à la rupture ; R(IZOD) : Résistance au choc ; Tfle (⁰C) : Température de fléchissement sous charge (1,8 N/mm²) PVC : Chlorure de polyvinyle rigide ;

PS : Polystyrène à l’état cristal ; HDPE : Polyéthylène à haute densité ; PET : Polyéthylène Téréphtalate cristallin ;

PMMA : Poly méthacrylate de méthyle à l’état amorphe ; PP : Polypropylène à l’état semi cristallin.

Polyéthylène (PE)

Cette matière plastique représente à elle seule environ un tiers de la production totale des matières synthétiques et constitue la moitié des emballages plastiques. Plusieurs millions de tonnes de polyéthylène sont produites chaque année car c’est un matériau extrêmement polyvalent et important sur le plan économique et écologique. Grâce à sa structure chimique simple, le polyéthylène prime sur la plupart des autres matériaux car il peut être réutilisé. Au cours de ces dernières années, le recyclage des produits usés en PE a pris de plus en plus d'importance :

50% du PE constituant les sacs poubelle sont recyclés. Le polyéthylène est translucide, inerte, facile à manier et résistant au froid. Il existe différents polyéthylènes classés en fonction de leur densité. Celle-ci dépend du nombre et de la longueur des ramifications présentes dans le matériau. On distingue deux familles : le PEBD (polyéthylène basse densité) et le PEHD (polyéthylène haute densité).

Le PEBD est utilisé dans les domaines les plus divers. Sa densité est inférieure à celle de l'eau. Il présente une bonne résistance chimique, il est olfactivement, gustativement et chimiquement neutre pour les denrées alimentaires. Il est transparent, peut être facilement transformé et se prête très bien au soudage. Sa durée de vie est très longue à cause de sa grande stabilité et il se recycle bien. Les principales applications du PEBD sont des produits souples : sacs, films, sachets, sacs poubelle, récipients souples (bouteilles de ketchup, de shampoing, tubes de crème cosmétique…).

Le PEHD est utilisé pour des objets plastiques rigides. On le trouve par exemple dans des bouteilles et des flacons, des bacs poubelles, des cagettes, des tuyaux, des fûts, des jouets, des ustensiles ménagers, des boîtes type « Tupperware »… Certains sacs plastiques sont constitués par du PEHD : lorsque le sac se froisse facilement sous la main, avec un bruit craquant et revient spontanément à sa forme d'origine, c'est du PEHD

(figure2-4). Lorsque le touché est plus « gras » que le plastique, se froisse sans bruit et se perce facilement avec le doigt, c'est du PEBD (Figure2-3)

Figure 2-3 : Exemple de PEBD Figure 2-4 : Exemple de PEHD

Le polystyrène (PS)

Le polystyrène est un plastique dur, cassant et transparent. On distingue trois types de polystyrènes (figure2-5) :

Le polystyrène « Cristal » : C’est un plastique dur et cassant utilisé pour de nombreux types de boîtes, les boîtiers CD notamment

Le polystyrène « choc »

Le polystyrène expansé (PSE) : c’est le matériau le plus connus et utilisé de la gamme. Ce polystyrène est solide à 20°C, pâteux à 120°C et fondant à 160°C. C’est une sorte de mousse blanche compacte inflammable et combustible. C’est un matériau qui sert à emballer les appareils sensibles aux chocs et qui est un très bon isolant thermique pour les plaques de doublage des murs.

a- polystyrène expansé b- polystyrène cristal c- polystyrène choc

Figure 2-5 : différents types de polystyrène

Le polycarbonate (PC) :

Le polycarbonate (figure2-6) est un matériau qui présente d'excellentes propriétés mécaniques et une bonne résistance thermique jusqu'à 120°C. On l’utilise pour la fabrication des casques de moto ou des boucliers de police. Comme il est très transparent, il sert aussi à la fabrication des CD et des DVD, des vitrages des guichets à l'épreuve des balles et des phares, feux arrière et clignotants de voitures. Enfin, sa neutralité physiologique permet son utilisation dans le domaine médical pour la fabrication de matériel et de prothèses. Par contre, il résiste mal aux contacts prolongés avec l'eau, aux agents chimiques et aux rayons ultraviolets.

Figure 2-6 : Vitrage en pc Les polyesters et le polyéthylène téréphtalate (PET)

Le PET (Figure 2-7) est surtout employé pour la fabrication de fils textiles et de bouteilles. L'inventeur des bouteilles en PET, Nathaniel Wyeth voulait faire une bouteille incassable. Cependant, ce plastique devient mou à moyenne température. Cette propriété empêche de consigner les bouteilles en PET car il faut les laver à une température trop haute. Pour cette même raison, on ne peut pas l’utiliser pour les confitures qui sont coulées chaudes dans les pots Il existe aujourd’hui un nouveau type de polyester plus résistant à la chaleur qui correspond à ce que l'on recherche pour les pots de confiture et les bouteilles consignées. C'est le polyéthylène naphtalate ou PEN.

Figure 2-7 : Bouteille en PET

Les polyacétals ou polyoxyméthylène (POM) :

Les polyacétals (figure2-8) ont des propriétés qui les rendent irremplaçables pour des pièces à fortes exigences mécaniques comme les engrenages et les poulies. Ils sont solides, présentent les qualités de métaux tels que l'acier, l'aluminium ou le zinc. Ils résistent à la plupart des agents chimiques et ont un faible coefficient de frottement. Par contre, ils ont une densité élevée et une assez faible résistance à la température. La recherche vise à augmenter leur résistance au choc pour permettre la réalisation de plus grosses pièces.

Figure 2-8 : pièce en POM (YOCOPIE 2015) Le polychlorure de vinyle PCV :

Le PVC (figure2-9) rigide qui a un aspect lisse et dur est utilisé pour les tuyaux de canalisation. Le PVC souple qui recouvre certaines pièces comme les manches de pinces a un aspect brillant. C'est après le PE, le plastique le plus utilisé au monde. Il est largement employé dans l’industrie de l'ameublement et dans le bâtiment ou le génie civil.

Figure 2-9 : tuyau en PVC Les polyamides (PA) :

C'est la première matière plastique à avoir été découverte en 1938. Selon la longueur des chaînes, on obtient différents types de PA (figure : 2-10) que l’on distingue par des chiffres : par exemple le PA6.6 est le nylon. Ce sont des polymères qui offrent un bon compromis entre des qualités mécaniques, thermiques et chimiques. Les polyamides sont utilisés pour réaliser des pièces moulées dans l'appareillage ménager et automobile, des

tapis et des moquettes, de la robinetterie, de la serrurerie, des engrenages, des textiles (lingerie et voilages)... L'inconvénient principal de tous les polyamides est qu’ils sont hydrophiles ce qui limite leur usage pour certaines pièces mécaniques.

Figure 2-10 : Engrenage 2.1.2.3 Les élastomères

Ces polymères (figure2-11) présentent les mêmes caractéristiques élastiques que le caoutchouc. Un élastomère au repos est constitué de longues chaînes moléculaires repliées sur elles-mêmes. Sous l'action d'une contrainte, les molécules peuvent glisser les unes par rapport aux autres et se déformer. Pour que le matériau de base présente une bonne élasticité, il subit une vulcanisation. La vulcanisation est un procédé de cuisson et de durcissement qui permet de créer un réseau tridimensionnel plus ou moins rigide sans supprimer la flexibilité des chaînes moléculaires. On introduit dans l’élastomère au cours de la vulcanisation du soufre, du carbone et différents agents chimiques. Différentes formulations permettent de produire des caoutchoucs de synthèse en vue d’utilisations spécifiques. Les élastomères sont employés dans la fabrication des coussins, de certains isolants, de semelles de chaussures, de pneus (SCIENCE, 2006).

Figure 2-11 : caoutchouc Naturel, CR

2.1.3 Renfort

Le bois est une ressource naturelle qui est un peu partout disponible dans les parties non désertique du globe terrestre, avec une gestion appropriée, l’approvisionnement du

bois et autres matériaux dérivés est potentiellement inépuisable. Ses propriétés sont hétérogènes et anisotropes, elles changent avec les conditions environnantes. Parmi les facteurs qui contribuent à son hétérogénéité, nous avons les essences feuillues et les essences résineuses, qui se distinguent par leurs compositions anatomiques et chimiques différentes. La sciure de bois est issue de l’utilisation du bois dans les scieries et ateliers de façonnage du bois (figure2 -12).

Depuis plusieurs années, bien que les fibres de bois présentent plusieurs avantages lorsqu'elles sont employées comme charges pour la fabrication de composites bois-plastiques, il existe toutefois, des inconvénients majeurs notamment leur forte rétention d'humidité, leur photo-dégradation, ainsi que la forte incompatibilité de l'interface bois/polymère (Clemons, 2002; Michaud, 2003).

2.1.4 Les adjuvants

Les deux constituants principaux d'un composite qui sont : le renfort et la matrice peuvent être mélangés avec des additifs nécessaires pour assurer de bonnes liaisons et améliorer l'adhésion entre les éléments du produit final. Les adjuvants ou additifs ajoutés permettent également de modifier l'aspect ou de perfectionner les caractéristiques de la matière à laquelle ils sont ajoutés : Ils se présentent sous forme d'agents de couplage, de lubrifiants, de pigments de coloration et d'agents anti-UV, etc. Les lubrifiants sont incorporés aux polymères plastiques afin d'assurer une lubrification externe et interne. D'une part, ils éliminent le frottement externe entre le polymère et la surface métallique de l'équipement de mise en forme; d'autre part, ils

Figure 2-12: Bois d'ébène. Source:www.brindauvergne.com

améliorent les caractéristiques d'écoulement interne du polymère, tout en augmentant les propriétés de mouillage des composants.

Dans l'industrie des CBP, on emploie les additifs (sous forme de lubrifiants et d'agents de couplage) qui favorisent l'adhésion des fibres de bois (hydrophiles) et plastiques (hydrophobes). C'est souvent le couplage des agents chimiques (traitement à l'anhydride maléique, etc.) qui est utilisé pour améliorer l'affinité et l'adhésion fibres-matrice. Lors de leur étude sur les agents de couplage dans les composites bois-plastiques, Lu et al. (2000) ont mis en évidence le fait que les agents organiques génèrent une meilleure adhésion que les agents inorganiques. D'une manière générale, il est possible d'améliorer la résistance à l'impact grâce à une grande quantité d'additif (10%).

2.2 Les procédés de fabrication des composites bois polymères (CBP)

Il existe deux grandes techniques de fabrication des CBP : les techniques plasturgistes et les techniques industrielles. Les techniques plasturgistes ont pour point commun la réalisation du mélange des matières premières à une température correspondant à une phase liquéfiée des plastiques. Ce dispositif permet de réaliser un mélange homogénéisé de fibres cellulosiques et d’un thermoplastique à haute température.

Une fois le mélange réalisé, il est possible de fabriquer le produit par extrusion, compression ou injection, etc. L’industrie du bois a aussi développé ses propres méthodes de fabrication de CBP, généralement par thermo-consolidation d’un matelas fibreux.

2.2.1 L’extrusion

L’extrusion est un procédé de fabrication et de transformation de matières à l’état granulaire ou poudre en un profilé (Trotignon et al. 1996). Lors de l’extrusion, les fibres sont incorporées au thermoplastique fondu à l’aide d’un système de vis. À la sortie de l’extrudeuse, le mélange est extrudé sous forme d’un profilé. Le système se divise habituellement en trois zones : l’alimentation, la compression et le pompage. La zone d’alimentation permet la plastification du polymère. Ensuite, le matériau va être comprimé dans la deuxième zone. Cette étape assure un dégazage adéquat du fondu.

Enfin, le polymère est homogénéisé dans la zone de pompage. La sortie de l’extrudeuse

(filière) donnera la forme finale à l’extrudé. L’extrusion produit souvent une dégradation importante des fibres et engendre souvent des cassures.

2.2.2 L’injection

L’injection est un procédé semi-contenu dans lequel un polymère fondu est injecté d’abord, dans un moule tempéré et retenu sous pression. Puis, on le retire lorsqu’il est solidifié. En fait, une presse à injection peut être représentée comme un hybride entre une extrudeuse et une presse à compression. Comme l’extrusion, la résine est incorporée dans une trémie et plastifiée par une vis d’accumulation. À la différence de l’extrusion, la vis de la presse recule à mesure que s’effectue la plastification. Le polymère fondu et homogénéisé, s’entasse à l’avant de la vis dans la zone d’accumulation. Lorsqu’une quantité prédéterminée de polymère a été plastifiée, la vis agit comme un piston et injecte la résine à haute pression vers le moule tempéré. Avec ce procédé, on peut fabriquer une large variété de produits pour différentes applications. En particulier, les CBP fabriqués par injection ont l’avantage d’avoir des performances supérieures à ceux fabriqués par extrusion puisque les fibres de bois dans ce cas sont mieux orientées dans la matrice plastique (Beg. 2007 ; Starck et al., 2004). De plus, leur conception est simple et ils ont une excellente finition. Les procédés en semi continu et cyclique comprennent les étapes suivantes ( Zaddi , 2002) :

1. La matière sous forme de granulé est entrainée dans la vis (zone d’alimentation) ; 2. la matière est fondue sous la chaleur et le cisaillement (zone de compression) ;

3. la vis recule et véhicule du même coup la matière fondue vers l’avant (zone d’homogénéisation et de dosage);

4. la matière est injectée dans le moule fermé, la vis avance du même coup ; 5. la matière est refroidie dans le moule ;

6. le moule s’ouvre et l’objet est éjecté ;

7. le moule se referme pour permettre une nouvelle injection.

7. le moule se referme pour permettre une nouvelle injection.