Chapitre 1 : Synthèse bibliographique.
2.2.3. Relation matrice – renfort.
Les performances d’un composite sont conditionnées par les propriétés intrinsèques des matériaux constitutifs et dépendent également très étroitement de l’adhésion, donc des interactions échangées entre le renfort et la matrice.
Les paramètres responsables de l’adhésion sont nombreux et ont des origines très différentes, ils se répartissent en trois classes :
- ceux concernant le renfort (nature et composition du renfort, influence du taux et de la taille du renfort),
- ceux concernant la matrice,
- et enfin ceux relatifs à l’interface (épaisseur, forces interfaciales renfort – matrice, mouillabilité du renfort par la matrice, influence des impuretés).
La diversité des paramètres pousse à ne pas définir un seul modèle d’adhésion mais plusieurs, correspondant chacun à un cas particulier.
Schultz et Simon (
1983)
ont recensé les différents modèles d’adhésion existants. Ils ont distingué deux types de modèles :- l’adhésion mécanique, qui consiste en un phénomène d’ancrage, d’accrochage mécanique de la matrice dans les pores et aspérités du renfort. Bikerman
(1968)
a développé des relations quantitatives montrant que l’adhésion d’un composite était directement proportionnelle à la rugosité du renfort.
- l’adhésion spécifique qui permet de décrire différents types d’adhésion ; on peut distinguer différents modèles :
¾ le modèle électrostatique,
¾ le modèle de la diffusion interfaciale, ¾ le modèle d’adsorption,
¾ le modèle de liaison chimique, ¾ le modèle de Bikerman. 2.2.3.1. Le modèle électrostatique.
Ce modèle, développé par Deryagin et coll.
(1978)
est fondé sur les phénomènes électriques observés lors de la séparation des solides dans le cas d’un assemblage verre – poly (chlorure de vinyle).
Chapitre 1 : Synthèse bibliographique.
2.2.3.2. . Le modèle de la diffusion interfaciale.
Dans la théorie de la diffusion, l’adhésion résulte de l’interdiffusion mutuelle des molécules des plans superficiels, créant ainsi une forte couche de transition entre les deux matériaux.
2.2.3.3. Le modèle de l’adsorption thermodynamique.
Ce modèle repose sur l’étude de la mouillabilité des solides et sera plus amplement développé dans le chapitre 4.
2.2.3.4. Le modèle de la liaison chimique.
Ce modèle est basé sur la formation de véritables liaisons covalentes entre le renfort et la matrice. Toutefois la mise en évidence de réactions chimiques au niveau de l’interface reste particulièrement difficile.
2.2.3.5. Le modèle de Bikerman.
Le dernier modèle est celui de la couche interfaciale de faible cohésion proposé par Bikerman
(1968)
. Un système de deux solides adhérés ne peut donner lieu à une rupture apparemment interfaciale que dans la mesure où le joint est « impropre », c’est à dire où il existe à l’interface une couche de plus faible cohésion, par exemple de l’air occlus ou des impuretés. La conséquence immédiate de ce modèle est qu’un joint « propre » ne peut se rompre que de manière cohésive et que les performances d’un composite ne dépendraient pas de la nature de liaison interfaciale. De manière générale, les couches de faibles cohésions proviennent essentiellement d’un mauvais mouillage dû à la présence d’impuretés en surface des solides de haute tension superficielle.On peut conclure de l’examen des différents modèles de l’adhésion, que le principal critère de formation d’une interface de qualité est un critère de mouillabilité du renfort, les phénomènes ultérieurs de diffusion, d’attraction électrique, de formation de liaisons chimiques pouvant être considérés comme des conséquences plus ou moins importantes et efficaces d’un contact intime entre le renfort et la matrice.
Les travaux concernant les relations matrice/renfort sont les moins avancés dans le domaine de la caractérisation des matériaux composites. Néanmoins, quelques études ont été
Chapitre 1 : Synthèse bibliographique.
menées sur le sujet. Nous pouvons citer Li et coll.
(2000)
qui ont étudié l’influence de la cristallinité de la matrice sur la résistance à la rupture au niveau de l’interface pour le couple poly (éther éther cétone)/fibre de carbone. Plusieurs mélanges ont été préparés pour divers temps de réaction afin d’obtenir des effets interfaciaux et des morphologies de matrice différentes. La structure cristalline du composite ainsi obtenue a été analysée par diffraction de rayons X et spectrométrie infrarouge. Il résulte de cette étude que la résistance à la rupture est gouvernée par la cristallinité et par la morphologie des cristallites de la matrice aussi bien que par l’interaction matrice / fibres au niveau de interface.2.3. Procédés mis en œuvre pour la synthèse de matériaux
composites.
Actuellement, il existe deux grandes méthodes d’obtention des matériaux composites. La première, la plus commune, consiste à extruder les différentes matières premières. La seconde consiste à synthétiser chimiquement le composite souhaité.
Actuellement une troisième méthode de synthèse des matériaux composites est en cours de développement : le co-broyage.
2.3.1. L’extrusion.
Les produits à extruder sont préchauffés et introduits en amont d’une vis d’extrusion. Au sein de l’extrudeuse, la température augmente progressivement, conduisant à un changement d’état des produits. L’utilisation de vis d’extrusion de différentes morphologies permet d’effectuer un mélange intime entre les différents composés et de disperser l’un au sein de l’autre de manière homogène. Cette technique est très utilisée pour la fabrication des briques, des pâtes, des tuyaux en plomb, … Les matières plastiques extrudées peuvent se présenter sous forme de poudres, flocons, paillettes, granulés…
Néanmoins, tous les mélanges de produits ne sont pas réalisables. Il est nécessaire d’avoir une certaine compatibilité thermique entre les différents constituants. Notamment, dans le cas de l’association de deux polymères, il ne faut pas dégrader un produit alors que le second n’est pas encore fondu. De plus, l’uniformité du mélange final est très importante. Il faut éviter la formation d’agglomérats de charge (qui conduirait à la formation de points de concentration de charge au sein de la matrice, entraînant ainsi des zones de rupture préférentielles) en appliquant des contraintes de cisaillement importantes. La maîtrise des
Chapitre 1 : Synthèse bibliographique.
conditions de fonctionnement de ce type d’appareil est donc très importante et influe considérablement sur les propriétés du produit final.
Hachiya et coll.
(1998)
et Tjong et coll.(1998)
ont étudié les propriétés mécaniques de composites obtenus par extrusion et ont montré qu’il est nécessaire d’utiliser lors du processus des agents couplants tels que l’acrylonitrile styrène ou l’acide maléique afin de limiter les discontinuités au sein des particules de composites.
Effectivement, l’agent couplant permet d’augmenter ou de diminuer les charges de surface au niveau de l’interface matrice / charge, ce qui a pour effet d’améliorer l’adhésion entre les deux phases. L’ajout de ce type d’agent compatibilisant peut alors interférer dans l’amélioration des propriétés.2.3.2. La synthèse chimique.
Une deuxième méthode d’obtention des composites consiste à les synthétiser chimiquement. Dans ce cas, la matrice est dissoute ou mise en suspension dans un solvant et la charge est activée in situ à l’aide d’un agent souvent oxydant. Les particules de composite sont ensuite filtrées puis séchées. Cette méthode est souvent utilisée pour obtenir des polymères conducteurs électriques
[Cassignol et coll. (1998), Pouzet et coll. (1993)]
. En revanche, elle est très peu utilisée pour les composites à grande diffusion car elle nécessite des installations très onéreuses.Il est relativement complexe de synthétiser chimiquement des matériaux composites car il est nécessaire que les constituants initiaux possèdent des propriétés chimiques très proches, notamment une solubilité dans le même solvant. Mais il faut aussi que les particules de composite formées reste sous forme solide, donc insolubles dans ce même solvant. De plus, une limitation liée à l’agitation du système apparaît, celle-ci ne permettant pas de produire des particules de charges suffisamment petites de manière à obtenir des propriétés les plus homogènes possibles.
2.3.3. Le co–broyage : une nouvelle technique de synthèse des matériaux composites.
Chacune des deux techniques de mise en oeuvre des matériaux composites citées précédemment, possède des limitations qui peuvent être d’ordre thermique, dans le cas de l’extrusion, ou d’ordre chimique, dans le cas de la synthèse chimique. En outre, ces deux techniques possèdent un point commun qui est la difficulté de disperser la charge dans la
Chapitre 1 : Synthèse bibliographique.
matrice. Pour la première, si les conditions de fonctionnement ne sont pas bien maîtrisées, il y a apparition d’agglomérats, alors que pour la seconde technique, l’agitation seule ne permet pas d’obtenir des particules de tailles suffisamment petites de manière à avoir des propriétés homogènes.
C’est pourquoi, nous avons décidé d’explorer une nouvelle voie de synthèse des matériaux composites : le co-broyage.
Cette technique consiste à broyer deux matériaux A et B ensemble. Dans un premier temps, il se produit un phénomène de fragmentation des particules des différents constituants (Figure 1. 10) jusqu’à une taille limite. Un des deux constituants se fragmente beaucoup plus rapidement, ici le constituant B. Ainsi B atteint sa taille de fragmentation limite avant A.
Fragmentation +
+
A B
A B