Chapitre V : Analyses et caractérisations des composites mis en œuvre par RTM:
V.3 Analyse de l’interface fibre-matrice :
V.3.4 Pourquoi les tissus PA et JM offrent-ils de moins bonnes performances ?
Figure 87 – Contraintes maximales à la rupture dans le sens des fibres pour différentes natures d’ensimage.
La Figure 87 rassemble les contraintes maximales à la rupture obtenues pour les différents types d’ensimage. On observe que le tissu UP permet le gain le plus important, comparé aux autres tissus (490 MPa contre 380 MPa pour le tissu PA et 260 MPa pour le tissu JM).
Une question se pose alors à nous : pourquoi les tissus adaptés à une telle chimie offrent de moins bonnes propriétés ? Une discussion aura lieu ultérieurement pour tenter de répondre à cette interrogation.
V.3.4 Pourquoi les tissus PA et JM offrent-ils de moins bonnes performances ?
A cette question soulevée dans l’évaluation de l’interface fibre-matrice, nous souhaitons apporter quelques pistes de réponses.
L’excellente étude menée par van Rijswijk et al. sur la formation de liaisons à l’interface entre un PA-6 anionique et un renforcement par tissu de verre, révèle une réaction de transamidification entre l’aminosilane greffé sur le tissu ensimé PA lorsque le composite reste
longtemps à température élevée [39]. Cette réaction a pour effet de couper les chaînes de PA-6 en contact et de créer une liaison covalente avec le silane greffé. La Figure 88 extraite de ces travaux nous présente cette réaction, qui fragilise la matrice à l’interface, tout en permettant la formation de liaisons covalentes ; ce qui renforce l’interaction entre la matrice et les fibres. Nous avons pris des clichés au microscope électronique à balayage afin d’observer cette interface (Figure 89) dans les échantillons cassés lors de la flexion entre appuis rapprochés à rupture dans le sens perpendiculaire aux fibres.
Figure 88 – Réaction de transamidification entre l’APA-6 et l’aminosilane [39].
Ces photos nous permettent de savoir quel type de rupture est rencontré dans ces échantillons et donc quel phénomène pourrait intervenir et expliquer les moins bons résultats obtenus avec les tissus JM et PA. En effet, la réaction de transamidification fragilise la matrice et renforce son adhésion aux fibres, on devrait alors observer une rupture de type cohésive, c'est-à-dire que la rupture s’effectue plus dans la matrice qu’aux interfaces. La Figure 89 a-3 et b-3
représente la rupture de la pièce avec le tissu PA. Elle nous montre clairement une bonne adhésion de la matrice sur les fibres. De plus, elle nous permet d’observer, dans les zones de matrice pure, une surface tourmentée, signe d’arrachement de la matrice. Cette observation est d’autant plus nette lorsqu’on observe la Figure 89 a-2 et b-2 qui représente la rupture de l’échantillon contenant le tissu UP comme renfort. Effectivement sur cette photo, on observe des fibres nues et lisses qui rendent comptent d’une mauvaise adhésion avec la matrice. De plus, à faible grossissement, on remarque une plus grande proportion de fibres que de matrice pure, ce qui voudrait dire que la rupture s’est effectuée dans une mèche ou un empilement de mèches de fibres de verre. On peut donc décrire cette rupture comme adhésive. Cela vient corroborer les observations faites précédemment sur la mauvaise adhésion de la matrice sur les fibres ensimées UP. Le cas du tissu JM (Figure 89 a-1 et b-1) est moins tranché et plus délicat à interpréter car on observe les deux phénomènes.
Nom échantillons PA-6 seul PA-6 / FV JM PA-6 / FV UP PA-6 / FV PA
Mn (g/mol) 28950 35250 35100 30600 Mw (g/mol) 92300 155850 130350 108700
IP 3,19 4,42 3,72 3,55
Tableau 20 – Tableau regroupant les données de la chromatographie d’exclusion réalisées dans l’HFIP avec
calibration au PMMA et double détection (UV/vis et indice de réfraction).
Ces résultats sont appuyés par la chromatographie d’exclusion stérique effectuée sur ces mêmes échantillons afin d’avoir une idée des masses molaires du PA-6. Ces résultats sont reportés dans le Tableau 20. Ces mesures ont été réalisées dans l’HFIP (1,1,1,3,3,3-Hexafluoro-2-propanol). L’étalon utilisé est le PMMA. Ces résultats nous révèlent une masse molaire plus faible pour l’échantillon issu d’une pièce PA-6 / FV PA, ce qui pourrait venir corroborer l’hypothèse d’une transamidification. Il faudrait faire d’autres tests mécaniques dont le test du « pull out » pour mesurer l’interface plus précisément. Ce test consiste à tirer sur une fibre enrobée de matrice.
Il faudrait mesurer l’hygroscopie et la teneur en eau des différents tissus dans les conditions de procédé afin de vérifier si l’eau adsorbée par ces tissus de verre n’a pas également un rôle dans ces variations de propriétés.
V.3.5 Conclusion :
La microscopie montre une meilleure accroche pour l’ensimage PA par rapport à l’ensimage UP. L’ensimage JM, quant à lui, présente une accroche intermédiaire. En revanche, les mesures de résistance interfaciale (traction dans le sens transverse aux fibres et ILSS dans le sens des fibres) montrent que c’est l’ensimage UP qui améliore le plus la qualité d’interface fibre-matrice, comparé à l’ensimage PA et JM. Ces résultats semblent contradictoires mais on peut supposer que les ensimages PA et JM impactent négativement la polymérisation du caprolactame et fragilisent la matrice au voisinage des fibres, même s’ils assurent une meilleure adhésion de la matrice sur ces fibres. Il faudrait compléter ce travail par des mesures de traction avec un angle de 10 à 15° par rapport à l’axe de traction. Nous pourrions alors calculer le module de cisaillement, ce qui nous permettrait de comparer plus finement les interfaces fibre/matrice et de discriminer les ensimages.
a
-1 b-1
a
-3
a
-2
b
-2
b
-3
a
-1 b-1
a
-3
a
-2
b
-2
b
-3
Figure 89 – Clichés de microscopie électronique des profils de rupture des échantillons (a : faibles