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Étude de l’adhésion fibre/matrice d’un matériau composite expansé lors du moussage

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Academic year: 2021

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To cite this version:

Gillet, Camille

and Nassiet, Valérie

and Hassoune, Bouchra

and Mérian, Tiphaine

and Abadie, Amandine

Étude de

l’adhésion fibre/matrice d’un matériau composite expansé lors du

moussage. (2019) In: Journées d'études sur l'adhésion - JADH 2019,

1 December 2019 - 6 December 2019 (Annecy, France).

(Unpublished)

(2)

v

v

-0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 25 75 125 175 225 275 325 Fl ux d e ch aleu r (W /g ) Température (°C) TETM/IPDA+10%BS TETM/DDS+10%BS TETM/DDS+10%BP

Étude de l’adhésion fibre/matrice d’un matériau composite expansé lors du moussage

Camille Gillet

1

, Valérie Nassiet

1

, Bouchra Hassoune-Rhabbour

1

, Tiphaine Merian

1

, Amandine Abadie

1

1: Interfaces et Matériaux Fonctionnels, Laboratoire Génie de Production, INP-ENIT, 47 avenue d’Azereix, 65000 Tarbes camille.gillet@enit.fr

Matériaux

1- Suivi cinétique du bullage

Introduction

2- Mise en œuvre des mousses

Aspect fondamental du moussage

Conclusions

Références

250 µm 250 µm

250 µm 1) Les résines époxy :

TETM(Triglycidyléther de tris(4hydroxyphenyl)methane) : • Pré-polymère époxy aromatique novolaque • Viscosité et température de transition vitreuse élevées • Respectueux de la réglementation REACH

TGTMP(Triglycidyléther de trimethylolpropane) : • Pré-polymère époxy aliphatique

• Utilisée pour les essais de la partie 1 car fluide à température ambiante (faisabilité)

2) Les agents de réticulation :

DDS(Diaminodiphénylsulfone) : • Poly-amine aromatique

• Réactivité et caractère nucléophile faibles

• Permet l’obtention de matériaux à haute tenue thermique • Respectueuse de la règlementation REACH

IPDA(Isophorone diamine) : • Poly-amine cycloaliphatique • Réactivité et caractère nucléophile moyens

• Permet l’obtention de matériaux à bonne tenue thermique

3) Les agents gonflants :

BS(Bicarbonate de sodium) – NAHCO3: • Agent gonflant chimique • Dégradation endothermique 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 0,002 0,0022 0,0024 0,0026 0,0028 0,003 0,0032 ln(t g el ) 1/T (K-1) TETM/DDS TETM/IPDA y = 5118,1x - 16,828 R² = 0,935 Ea= 42,55 kJ/mol y = 9461,6x - 23,36 R² = 0,9959 Ea= 78,66 kJ/mol !" = 20 #$% &( !")

Figure : DSC anisothermes des systèmes [TETM/IPDA+10%BS], [TETM/DDS+10%BS] et [TETM/DDS+10%BP] à 20°C/min. [TETM/IPDA+10%BS] [TETM/DDS+10%BP] [TETM/DDS+10%BS] Répartition homogène Porosités ouvertes Répartition hétérogène Porosités ouvertes Répartition hétérogène Porosités mixtes

4- Comportements thermiques

Morphologie des polymères expansés :

Figure : Évolution de ln(gel) en fonction de 1/T pour les systèmes [TETM/DDS] et [TETM/IPDA]. Étude et comparaison des gélifications de [TETM/DDS] et [TETM/IPDA] : Loi d’Arrhenius [7] '*+,= -./15634 ln '*+,=56347 89:#';:'. [TETM/IPDA+10%BS] +10% fibres basalte [TETM/DDS+10%BS] +10% fibres basalte [TETM/DDS+10%BP] +10% fibres basalte

Répartition relativement homogène

Coalescence non significative

Répartition très hétérogène

Coalescence très marquée

Répartition hétérogène

Coalescence non significative

L’ordre des réactions n’est pas une donnée fondamentale. Pour [TETM/DDS+BP] : Même si début gélification < début moussage<Structure hétérogène. Ajout de fibres < Agents nucléants < Diminution de la taille moyenne des pores.

Fibres non mouillées < Agents de coalescence < Formation de grosses bulles.

5- Cinétique de gélification

4) Les fibres :

Basalte :

• Fibres courtes ensimées

• Utilisé pour la fabrication des composites expansés

3 grandes étapes[3]:

1.Création d’une cellule de gaz : nucléation homogène (dans la résine) ou hétérogène (au contact d’une seconde phase).

2.Expansion des bulles : par diffusion puis grâce à la surpression à l’intérieur de la bulle par rapport au milieu extérieur – loi de Laplace-Young :>? = @AB

C.

Contrainte exercée par la résine – loi de Newton :D = E × !". Moussage optimal quand : >? = D 3.Stabilisation : la pression extérieure surpasse la pression interne. Viscosité trop importante, polymérisation de la matière. Paramètres influençant le moussage [1],[4]–[6]:

- Viscosité ;

- Température et temps de réticulation ; - Vitesse de chauffe ;

- Choix et pourcentage d’agent gonflant ; Polymèreσ Cellule

∆P

20

èmes

Journées d’Études sur l’Adhésion (JADH) – du 1 au 6 décembre 2019 – Annecy (74)

Dans une optique d’allégement des structures, les polymères et matériaux composites à matrice organique expansés font leur apparition dans l’industrie. Cependant, leur optimisation est plus complexe que celle de leurs homologues denses, car il faut obtenir une adéquation entre les réactions de polymérisation du polymère et de moussage de l’agent gonflant. De plus, une bonne adhésion fibre/matrice est nécessaire pour obtenir des structures homogènes en termes de répartition et de diamètre de porosités. Une mauvaise adhésion des fibres peut être responsable d’une nucléation hétérogène du polymère, avec l’apparition de grosses porosités, responsables d’une diminution des propriétés mécaniques du matériau[1],[2].

Avec[TETM/DDS] etBS :

Exothermie de réticulation du système après endothermie de décomposition de l’agent gonflant[3]

Avec[TETM/IPDA]etBS: Exothermie de réticulation du système avant endothermie de décomposition de l’agent gonflant[3]

2 F;GHIJK F;AHIJ7 GAI 7 HIA

2 LGHIJK LAHIJ7 GAI 7 HIA

BP(Bicarbonate de potassium) – KHCO3: • Agent gonflant chimique

• Dégradation endothermique à plus haute température que le BS

• L’ordre des réactions influe sur la qualité du moussage. Une meilleure adhésion fibre/matrice observée lorsque la gélification précède le moussage. • Quand la gélification a commencé<La résine agit comme une barrière entre bulles et fibres< meilleure adhésion.

• Quand le moussage commence en 1er<La résine est trop fluide, les bulles ne se figent pas, et la fibre agit comme agent de coalescence pour celles-ci. • Gélification plus rapide<Moins stable, moussage plus hétérogène. • Ajout de fibres<Elles jouent un rôle d’agent de nucléation<Porosités plus nombreuses.

• Augmentation de la mouillabilité de la fibre<Réduit la coalescence. Interactions entre les réactions de réticulation des systèmes et de dégradation des agents gonflants :

Détermination des temps de gel : essais de viscosité en fonction du temps η=f(t) pour plusieurs isothermes, à l’aide d’un rhéomètre avec plateaux parallèles.

[TETM/DDS] gélifie plus rapidement que [TETM/IPDA].

Évolution viscoélastique de [TETM/IPDA] durant la formation du réseau étant plus lente< + grande homogénéité de la structure moussée.

Morphologie des composites expansés :

[1] S. El Gazzani, V. Nassiet, J.-P. Habas, C. Freydier et A. Hilleshein, « High temperature epoxy foam : Optimization of process parameters »,Polymers, vol. 8, no. 6, pp. 1-19, 2016.

[2] M. V. Alonso, M. L. Auad and S. R. Nutt, « Short-fiber-reinforced epoxy foams »,Composites Part A : Applied science and manufacturing, vol. 37, no. 11, pp. 1952-1959, 2005.

[3] S. El Gazzani, « De la définition à la mise en forme de feutres imprégnés expansés à base de formules résineuses répondant aux exigences de REACH », Thèse de doctorat, Institut National Polytechnique de Toulouse, 2016.

[4] L. Wang, X. Yang, T. Jiang, C. Zhang et L. He, « Cell morphology, bubbles migration and flexural properties of non-uniform epoxy foams using chemical foaming agent »,Journal of Applied Polymer science, vol. 131, n° 123, 2014.

[5] F. Quadrini et E. A. Squeo, « Solid-state foaming of epoxy resin »,Journal of cellular plastics, vol. 44, n° 12, pp. 161-173, 2008.

[6] S. Quinn, « Chemical blowing agents: providing production, economic and physical improvements to a wide range of polymers »,Plastics, Additives and Compounding, vol. 3, n° 15, pp. 16-21, 2001.

[7] P. Audebert et F. Miomandre, « Procédé sol-gel de polymérisation »,Techniques de l'ingénieur, pp. 1-11, 2005.

Fibres mouillées Fibres mouillées Fibre mal imprégnée

www.jadh-sfa.fr

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 25 75 125 175 225 275 Flux de cha le ur (W /g ) Température (°C) [TETM/DDS] [TETM/IPDA] BS BP Tcuisson = 120 °C Tcuisson = 160 °C Tcuisson = 200 °C Verre :

• Fibres longues ensimées et non ensimées • Utilisé pour l’étude de l’adhésion des bulles Cette étude porte sur l’adhésion fibre/matrice de matériaux composites expansés renforcés de fibres de basalte, en fonction des constituants et des réactions qui en découlent.

Les systèmes mis en œuvre sont :

- Époxy TETM / Durcisseur DDS + Agent gonflant bicarbonate de sodium ; - Époxy TETM / Durcisseur IPDA + Agent gonflant bicarbonate de sodium ; - Époxy TETM / Durcisseur DDS + Agent gonflant bicarbonate de potassium ; L’objectif est de comparer l’ordre des réactions de réticulation des systèmes et de moussage des agents gonflants sur l’adhésion fibre/matrice.

Mots clés : adhésion, composite expansé, mousse, époxy, agent gonflant.

T = 160 °C t = 0 min Fibre de verre Résine liquide Dépôt de BS t = 2 min t = 10 min

Formation de bulles fines < Coalescence.

TGTMP + BS + fibre de verre non ensimée

t = 0 min t = 2 min t = 10 min T = 160 °C Fibre de verre Résine liquide Dépôt de BS

Formation de bulles fines< Se décrochent.

TGTMP + BS + fibre de verre ensimée

Figure : Comparaison du placement des bulles sur une fibre ensimée et une fibre non ensimée en fonction du temps. Cuves d’observation dans lesquelles sont fixées des fibres. Fibre non ensimée

Fibre ensimée Formation de bulles

qui remontent… Agent gonflant Fibre

Résine Rencontre avec la fibre < s’accrochent

Coalescence des bulles

Se décrochent et remontent

Temps

Ensimage < Empêche la formation de grosses bulles à l’interface fibre/matrice. Augmentation de la mouillabilité de la fibre. Améliore l’adhésion fibre/matrice. Placement des bulles provoquées par la décomposition d’agent gonflant dans la résine à proximité de fibres :

Exo

Exo

Décompositions endothermiques des agents gonflants

• [TETM/IPDA+10%BS] : Décomposition du BS débute après Réticulation système<Résine gélifiée lors du moussage.

• [TETM/DDS+10%BS] : Décomposition du BS débute avant Réticulation système<Résine fluide lors du moussage.

• [TETM/DDS+10%BP] : Décomposition du BP et Réticulation système débutent en même temps<Résine qui a commencé à gélifier lors du moussage. Mais répartition des bulles hétérogènes dans la mousse...

Comment expliquer cette hétérogénéité ? < Étude de l’influence de la viscosité des systèmes.

3- Temps de moussage et de gel

Début gélification < début moussage Début gélification < début moussage Début gélification > début moussage

Conclusion sur les 3 configurations :

• [TETM/IPDA] et BS : à toute température de dégradation du BS, le système semble gélifié avant début moussage ;

• [TETM/DDS] et BS : durée du moussage et t gel coïncident à 160°C ; • [TETM/DDS] et BP : à partir de 190°C (formation de mousse), le système semble gélifié avant début moussage ;

< DSC sur le mélange pour comprendre comment les phénomènes agissent l’un sur l’autre.

Adhésion fibres/matrice < début moussage

Adhésion fibres/matrice > début moussage

Adhésion fibres/matrice < début moussage

Figure : Durées de moussage du BP et temps de gel du système [TETM/DDS] en fonction de la température. Photos de mousses [TETM/DDS+10%BP] en fonction de la température. Corrélations des temps de décomposition du BS et des temps de gel des systèmes époxy :

0 10 20 30 40 50 60 150 160 170 180 190 200 210 220 230 Temp s (min) Température (°C)

t début moussage BP t fin moussage BP t gel [TETM/DDS]

h=3,6 cm h=4,0 cm h=4,2 cm h=2,4 cm Brunissements Forte exothermie

TGA isotherme Viscosimétrie

Pas de mousse

Expansion qui augmente jusqu’à 220°C

Mesures réalisées sur les systèmes [TETM/DDS] et [TETM/IPA] + sur les agents gonflants BS et BP.

Exemple de corrélation pour [TETM/DDS] et BP :

Avec[TETM/DDS]etBP:

Exothermie de réticulation du système avant endothermie de décomposition de l’agent gonflant

Figure

Figure : DSC anisothermes des systèmes [TETM/IPDA+10%BS], [TETM/DDS+10%BS] et  [TETM/DDS+10%BP] à 20°C/min.[TETM/IPDA+10%BS][TETM/DDS+10%BP][TETM/DDS+10%BS]Répartition homogènePorosités ouvertesRépartition hétérogènePorosités ouvertesRépartition hétérogène

Références

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