4.3 Mécanique en environnement contrôlé
4.3.2 Température
En utilisant un instrument de Dynamic Mechanical Thermal Analysis, il a été possible de faire des essais com- plexes en température. Cependant, ces essais sont incomplets car des limitations instrumentales ne permettent pas de contrôler les décharges. La variation du module initial en fonction de la température peut tout de même être exploitée pour le fil industriel. Ces résultats sont présentés en figure4.20.
y = -0,0398x + 17,435 R2 = 0,9579 y = -0,2014x + 49,426 R2 = 0,9941 0 5 10 15 20 0 50 100 150 200 250 Température (°C) Mod u le i n it ial ( G Pa)
FIG. 4.20 – Evolution du module initial du fil industriel en fonction de la température, régression linéaire des points avant Tg(noir) et après Tg(gris)
On observe une décroissance du module initial en fonction de la température avec un changement de pente aux environs de 175-200˚C. Ce changement est représentatif de la transition vitreuse, ce qui est cohérent avec les informations bibliographiques [Hu 07]. Les propriétés mécaniques sont donc dépendantes de la température comme montré dans la littérature [Mart 07]. L’agitation moléculaire menant à une plus grande dissipation énergétique.
La similitude entre les modules obtenus en température à 220˚C et en humidité saturante montre que l’eau agit en tant que plastifiant. Les modifications microstructurales apportées par l’humidité sont donc comparables à un état de la matière au dessus de la température de transition vitreuse. Cette température de transition vitreuse est alors inférieure à la température ambiante [Agar 97] [Fu 09].
4.4 Discussion sur l’apport de la microstructure
L’étude de la microstructure a donc permis de mieux comprendre la relation entre microstructure et méca- nique. L’impact de la méthode de filage sera décrit sur l’état microstructural du polymère. Puis, le comportement de cette microstructure établie sera étudié en fonction des sollicitations mécaniques et du milieu extérieur pour établir un lien entre microstructure et mécanique. Enfin, notre capacité à modifier les propriétés mécaniques du matériau par voie biotechnologique sera analysée d’un point de vue microstructural.
Modification microstructurale du polymère pendant le procédé de filage
La fibroïne produite par les glandes séricigènes est stockée dans un état amorphe dans la glande moyenne. Sa microstructure est alors contrôlée par les conditions chimiques : présence de solvant ; d’ions kosmotropiques et chaotropiques ; pH... Le procédé de filage va mener à une organisation de la matière augmentant l’interac- tion entre les différents composés, chaine lourde et chaine légère de fibroïne, facteur P25. Il va également y avoir une augmentation de la masse volumique par cristallisation partielle du polymère menant à l’apparition de cristallites, de maille a priori orthorhombique, orientés dans le sens de la fibre. Les macromolécules sont donc orientées principalement dans l’axe des fibres, elles permettent de lier les phases amorphes et cristallines par des liaisons covalentes mais également faibles grâce à des interactions intra et extra-moléculaires. Le pro- cédé de filage est un facteur important expliquant cet état microstructural. Des variations longitudinales sont perceptibles a l’échelle microstructurale avec une variation de cristallinité et d’orientation des cristallites. Ces variations sont à mettre en relation avec les variations macroscopiques induites par la méthode de filage.
Il en résulte un matériau semi-cristallin ayant une température de transition vitreuse aux environs de 180˚C, sa microstructure est schématisée en figure4.21.
Fibroïne avant filage
filière
Fibroïne filée
❄ Liaisons intra-moléculaires � � ✠ Liaisons inter-moléculaires ✻ ��✒ Amorphe ✻ Cristallite 2x7nm ✲ ✲ ✲ ✟✟✟✟ ✟ ✯
LFib
HFib
S-S
P25
FIG. 4.21 – Etat microstructural de la fibroïne avant et après filage, LFib et HFib : respectivement chaine légère et chaine lourde de fibroïne
Il peut être noté que la microstructure du grès semble bel et bien amorphe ce qui ne l’empêche pas d’avoir un impact non négligeable sur le comportement mécanique.
Comportement microstructural de la fibre de soie sous sollicitation
Cet état microstructural permet d’expliquer le comportement mécanique. En effet, une déformation à l’échelle macroscopique induit des déformations à l’échelle nanométrique. Notamment, les résidus ne sont pas sollicités pendant la traction, contrairement à la chaine macromoléculaire composée de carbones α associés à ces résidus et de fonctions amides. La traction du polymère mène à une déformation des liaisons chimiques de la phase cristalline dès le début de la traction, ce qui est représentatif d’un système en parallèle. Les cristallites vont également être réorientés vers une position certainement optimale. Le comportement de la phase amorphe peut être assimilé à un comportement visco-élasto-plastique. Le comportement de la phase cristalline semble quant à lui se limiter à de la pure élasto-plasticité [Kras 08]. Les mécanismes induits à l’échelle microstructurale pendant une sollicitation sont décrits en figure4.22.
Ceci permet d’expliquer le comportement de la soie en milieu humide où la phase amorphe est désorganisée induisant une dissipation énergétique importante menant à une déformation réduite des cristallites. Notam- ment, cette désorganisation permettant un degré de liberté supérieur des macromolécules dans ce volume, semble permettre un désenchevêtrement sans frottement justifiant la diminution de la plasticité.
Traction
✻ Elasticité de la phase amorphe ✻ Elasto-plasticité de la phase cristalline ✻ Plasticité de la phase amorpheFIG. 4.22 – Mécanismes microstructuraux induits lors d’une traction d’une fibre de fibroïne
Impact de la modification génétique sur la microstructure, lien avec le comportement mécanique
L’étude du lien entre microstructure et mécanique permet donc d’expliquer l’apport de la modification géné- tique permettant un contrôle du comportement mécanique. En effet, cette modification a résulté en un matériau moins cristallin (74% du témoin) et semble-t-il légèrement moins orienté. Les propriétés du gel de fibroïne sont donc modifiées altérant principalement le taux de cristallinité. L’orientation est quasiment inchangée car prin- cipalement induite par le passage de la filière.
Cette modification microstructurale résulte en une modification de comportement mécanique vers un maté- riau plus ductile et plus déformable. Ceci s’explique par le fait que la phase amorphe est supposée présenter un module initial inférieur à la phase cristalline et permettre une déformabilité supérieur.
Chapitre 5
La modélisation permet de vérifier les
hypothèses sur la microstructure
Sommaire
5.1 La mise en place du modèle. . . 113
5.1.1 Connaissances apportées par l’étude de la mécanique et de la microstructure. . . 113