TABLE DES MATIERES
III. Méthodes d’amélioration de la durabilité des composites renforcés par des fibres cellulosiques : Obtention d’agromatériau thermoplastique
III.1. Obtention des radicaux libres par les méthodes traditionnelles 1 Par voie physique
III.2.2. La réticulation par des méthodes chimiques 1 Réticulation par les peroxydes
La réticulation par voie radicalaire est la principale méthode de transformation des matériaux. Les espèces radicalaires responsables de la réticulation proviennent habituellement de la décomposition de peroxydes, dont les plus couramment utilisés sont le peroxyde de di-2,4- dichlorobenzoyle (DCBP), le peroxyde de dibenzoyle (DBP), le peroxyde de dicumyle (DCP), le peroxyde de di-tert-butyle (DTBP) et le 2,5-diméthyl-2,5-bis-(tertbutylperoxy) hexane (DBPH). L'utilisation de tels composés pour produire un matériau réticulé a été découverte par Wright et Oliver en 1948 [85].
Le mécanisme simplifié de la réticulation par le peroxyde est présenté sur la Figure 20. La première étape est la décomposition homolytique du peroxyde, qui donne naissance à deux radicaux alkoxy. Ce radical va être capable de capter un hydrogène d’une autre molécule, et ainsi transférer le radical au squelette polymère. Enfin, la combinaison de deux radicaux va permettre la formation de ponts entre les chaînes. Pour que l’abstraction d’un hydrogène ait lieu, il faut que le radical formé soit plus stable que le fragment radicalaire initial [81].
RO – OR
→
2 R – O• (1) Décomposition du peroxyde R – O•+ PH→
P•+ ROH (2) Arrachage de l’hydrogène P• +P•→
P – P (3) RéticulationFigure 19. Technique de réticulation par le peroxyde [81].
III.2.2.2. Réticulation par les silanes
Depuis les années 80, des recherches ont trouvé des moyens d'améliorer l'adhésion interfaciale entre la fibre végétale et la matrice thermoplastique en utilisant des agents de modification pour greffer les polyoléfines tels que : l'anhydride maléique greffées [86-90], les silanes [91,92] et les isocyanates [88,92] et la combinaison entre ces agents [88,93]. L'utilisation d'un compatibilisant comme le copolymère à trois blocs : styrène-éthylène- butylène-styrène a également amélioré la rigidité et les propriétés mécaniques du matériau composite [93]. La plupart de ces procédés nécessitent un prétraitement des particules de fibres avant mélangeage.
A la fin des années 90, la réticulation des composites polyéthylène/farine de bois a été réalisée par l’ajout d’un peroxyde directement lors du mélangeage. Il a été trouvé que l'adhésion interfaciale était améliorée et également, il a été démontré qu’un réseau réticulé avait formé.
[94-96].
Plus tard, une technique de réticulation par silane dans une seule étape a été développée. Dans cette technique, une solution silane/peroxyde est ajoutée au mélange farine de bois/polyéthylène haute densité dans le but de renforcer à la fois l'interface du composite et de réticuler le polyéthylène. Il a été constaté que la réticulation par le silane améliorait la résistance à la traction, au choc, et à la flexion du composite [94,96-101].
Dans cette technique qui est différente des procédés dans lesquels la charge doit être prétraitée, le squelette du polymère est modifié. La Figure 20 montre le principe de la réticulation d'un réel composite farine de bois/polyéthylène.
Figure 20. Schéma représentatif d’un composite bois/Polyéthylène haute densité non réticulé
et réticulé [99].
Le principe de la réticulation par le silane est de greffer le silane sur le squelette de la chaîne polyéthylène (PE). Ce greffage a lieu dans une extrusion réactive, où une solution d'un vinylalcoxysilane/peroxyde est mélangée avec du polyéthylène. Le peroxyde se décompose et crée des oxy-radicaux qui attirent l'hydrogène de la chaîne polyéthylénique, c'est-à-dire créent des sites radicaux. Le groupe vinyl de l'alcoxysilane s'ouvre et se greffe sur la chaîne du polyéthylène. Comme l'eau est ensuite diffusée dans le matériau, les alcoxysilanes greffés subissent une hydrolyse pour former des silanols, et une réaction de condensation forme alors des ponts siloxane, comme représenté sur la Figure 21 [100,102].
Figure 21. Schémas réactionnels de la réticulation au silane ((1) : hydrolyse ; (2) :
condensation [96-98].
La technique de réticulation des composites fibres végétales-polyéthylène par les silanes est fondamentalement une approche différente par rapport à l'utilisation des agents de couplage pour modifier chimiquement les fibres végétales. La plupart des agents de couplage, y compris les silanes, modifient la surface des fibres visent à rendre polaire pour obtenir un meilleur mouillage et une meilleure dispersion à l'intérieur de la matrice apolaire. Les technologies de réticulation par silane sont destinées à fonctionnaliser la matrice polymérique avec des groupes polaires, mais éventuellement créer des points de réticulation avec la surface polaire de la fibre. Les liaisons possibles sont les liaisons covalentes, les liaisons hydrogène et les forces de Van der Waals qui sont présentées à la Figure 22.
Figure 22. Liaisons possibles entre le polyéthylène et la fibre végétale 1) -Si-O-C-, 2)
Liaisons hydrogène, 3) Forces Van der Waals entre les silanes condensés sur la fibre, mais non greffés au PE, 4) réaction radicalaire -C-C- [96,97,103].
Les travaux de Bengtsson et coll [96,97,103] étudient l'influence de l’utilisation de différentes fractions de solution silane / peroxyde sur le taux de gel ainsi que le mode de réticulation des composites bois/PE. Les propriétés telles que la résistance à la flexion, la résistance au choc et l'absorption d’eau ont été étudiées. L’essai de la biodégradation a été étudié pour voir son effet sur les propriétés mécaniques des composites réticulés. Globalement les résultats ont montré que la réticulation au silane est une méthode prometteuse pour améliorer toutes ces propriétés des composites. L’analyse microscopique a montré que le silane se concentre autour de la surface de la farine de bois et que cette caractéristique fournit une base pour suggérer que la réticulation s'est produite entre le bois et la matrice.
Geng et Laborie [104] ont élaboré des composites à base de polyéthylène basse densité
(PEBD) et une fraction importante de farine de bois. Les composites sont fabriqués à l’aide d’un plastographe. Différentes concentrations de solution silane/peroxyde ont été testées avec et sans catalyseur. Les résultats ont montré que les propriétés rhéologiques varient en fonction de la concentration de la solution silane/peroxyde. Une diminution du module de conservation est observée pour les spécimens réticulés dans le sauna. Ce résultat est expliqué par l’ouverture des ponts siloxane par hydrolyse. La teneur en gel des composites n'a pas été mesurée.
Clemons et coll. [105] ont étudié le comportement des composites à base de polyéthylène
base densité (PEBD), polyéthylène haute densité (PEHD) et leurs mélanges/ farine de bois réticulés par silane. Trois méthodes différentes ont été évaluées : Le prégreffage du silane au
PE, le greffage du silane aux composites préfabriqués et le mélange de la farine de bois, du PE, du silane/peroxyde dans une seule étape. Les composites fabriqués par le prégreffage du silane au PE ont montré les meilleurs résultats. Cependant, une augmentation significative de la teneur en gel après la réticulation dans le sauna. Les essais mécaniques ont été effectués avant et après le sauna. La réticulation dans le sauna n'a pas conduit à une amélioration significative des propriétés mécaniques.
Bengtsson et coll. [96,97,103], Geng et Laborie [104], Clemons et coll. [105] ont tous fait
référence à Kuan et coll. [106] comme faisant le même processus, mais Kuan et coll. [106] ont prétraité la farine de bois par un silane et combiné avec le polyéthylène en ajoutant du peroxyde et un catalyseur à base d'étain au cours du procédé de fabrication.
Kuan et coll. [106] n'ont pas mesuré le teneur en gel, mais se sont référés à des spectres IRTF
qui ont montré une augmentation des entités Si-O-Si après hydrolyse au sauna qui est attribuée au greffage et à la réticulation du polymère. Les résultats ont montré une amélioration des propriétés mécaniques des composites à base de la farine de bois qui est contribuée au prétraitement de la farine de bois avant le malaxage.
IV. Notions de biodégradation