UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI
: Bâtiment et travaux publics
THEME :
Réalisé et soutenu par : sous la direction de : HOUESSOU Mahoutondji Prof. Edmond C. ADJOVI
Emmanuel Professeur titulaire des universités du CAMES COMPOSITION DU JURY Prof. Emmanuel OLODO Président Maitre de conférences des universités Pr AVLESSI Félicien Dr. Valery K. DOKO
Membres Enseignant-chercheur à l’EPAC/UAC Pr ADJOVI Edmond
Dr HOUANOU Agapit
Mr AHISSOU Joseph
Année académique 2015-2016
MEMOIRE DE FIN DE FORMATION POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION
REALISATION D’UNE PLAQUE EN MATERIAUX COMPOSITE TRI-COUCHES A BASE DE BOIS PLASTIQUE ET DE BOIS
POLYSTYRENE : ETUDE EXPERIMENTALE ET AMELIORATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE.
DEDICACES
Je dédie ce travail à : L’architecte et le Maitre de ma vie « Dieu »
A mon Père F. James HOUESSOU et à ma Mère Létitia HOUESSOU née ESSOUGBADA pour m’avoir soutenu, prodigué des conseils, et montré le chemin de la réussite.
A mes frères et sœurs et à mes amis
Que ce travail soit le fruit de vos efforts !!
REMERCIEMENTS
Je ne saurais commencer ce mémoire sans remercier Dieu tout Puissant pour tout ce qu’il me fait et sa grâce qu’il ne fait que rependre sur moi. Je lui demande de me rend digne : « Tout vient de toi Seigneur et nous venons t’offrir ce que ta main nous donne par amour et par bonté ».
L’élaboration du présent mémoire n’a été possible que par le soutien indéfectible et à la franche collaboration de plusieurs personnes. Je tiens donc à exprimer mes sincères remerciements et ma profonde gratitude :
Au Professeur SOUMANOU M. Mohamed, Directeur de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi,
Au Directeur Adjoint de l’EPAC, le Docteur AHOUANNOU Clément et à tout le personnel de l’administration de l’EPAC, pour l’excellence du cadre de travail mis à notre disposition et pour les moyens mobilisés pour notre formation,
Au professeur AVLESSI Félicien, ex-Directeur de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi, pour nous avoir assuré durant son mandat un cadre convivial d’étude
Au Dr HOUINOU Gossou Jean, Docteur Ingénieur en Génie Minier et Topographie ; Chef du Département de Génie Civil de L’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi, pour tous les sacrifices consentis pour la bonne marche des activités pédagogiques au sein du département,
Au Professeur ADJOVI Edmond, mon Maître de mémoire, Professeur titulaire des Universités du CAMES. Il a consacré beaucoup de temps, et a largement contribué à l’aboutissement de mes travaux de recherche par la qualité de ses suggestions. Je le remercie aussi pour le soutien moral et matériel qu’il nous a apporté et grâce auquel ce travail a été conduit à terme.
Au Dr GBAGUIDI Victor, Maitre de conférences des universités pour les chaleureux conseils et son soutien accordé.
Au Dr OLODO Emmanuel, Maitre de conférences des universités, pour sa disponibilité, ses conseils et pour le soutien moral et matériel p o u r l’aboutissement de ce travail.
Au Dr TCHEHOUALI Adolphe, Maitre de conférences des universités, pour avoir mis à notre disposition tout le matériel nécessaire pour nos travaux et pour ses différents conseils.
Au Dr DOKO Valéry K, Docteur en Génie Civil, pour ses conseils judicieux, ses suggestions pertinentes et son support constant qui m’ont énormément aidé à la réalisation de ce travail.
Au Dr GIBIGAYE Mohamed, Maitre de conférences des universités, pour ses conseils judicieux,
Au Professeur GBAGUIDI Aïssè Gérard Léopold, Maître de Conférences des Universités pour nous avoir accepté dans le laboratoire de génie civil,
Au Dr ZINSOU Codjo Luc, Maitre-Assistant des universités, pour ses multiples conseils.
Monsieur PADONOU G. Tankpinou A. Semiyou pour ses conseils et ses apports.
Monsieur AGOSSOU Daniel, Doctorant en Génie- Civil pour ses conseils.
Monsieur CHABI Edem et GUIDIGO Jonathan, tous deux Doctorants en génie-civil, pour leurs conseils et leur soutien.
Les ingénieurs : Julien, Joël, Mounirou tous en DEA pour leurs conseils.
Tous les enseignants de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC) en générale et en particulier ceux du département de génie-civil, pour la qualité des enseignements que nous avons reçus d’eux.
A Toute la 9ème promotion des élèves ingénieurs de l’EPAC ;
Conscient que cette liste n’est pas exhaustive, nous exprimons nos vifs remerciements à toutes les autres personnes qui, de près ou de loin, ont contribué de quelque manière que ce soit, à l’aboutissement de ce travail.
HOMMAGE
A
u Président du Jury pour l’honneur qu’il nous fait d’accepter présider ce Jury ;A
ux Membres du Jury pour avoir consenti à consacrer leur temps à juger notre travail.N
ous sommes certains que vos multiples apports contribueront à l’améliorer.RESUME
Les déchets de bois, de sachet et de polystyrène de part leur encombrement dans la nature constituent un souci majeur pour la sauvegarde de l’environnement. Certaines grandes villes d’Afrique en général et certaines de l’Afrique de l’ouest en particulier sont envahies par divers déchets plastiques qui non seulement constituent une pollution visuelle, mais aussi, entre autres dégâts, empêchent l’infiltration des eaux de pluie dans le sous- sol et de ce fait constituent un problème environnemental. Le but de notre travail consiste à réaliser des matériaux composites (plaque tri-couches : bois/plastique-bois/polystyrène- bois/plastique) utilisable dans la construction toute en contribuant à la résolution des problèmes environnementaux, engendrer par ces déchets.
Nous avons réalisé les plaques monocouche et sandwich (tri-couche) puis des études expérimentales du comportement mécanique de ces composites. Le matériau sandwich est composé de la sciure de bois-sachets plastiques comme peaux et de la sciure de bois- polystyrène comme âme. Nous avons déterminé les caractéristiques mécaniques telles que la résistance mécanique à la rupture, le module de rigidité en flexion(D), le module de cisaillement de l’âme en flexion(Ga), le module de cisaillement du sandwich(N) et La contrainte ultime en cisaillement inter-laminaire( ) (délaminage) de ce type de matériau.
Ainsi de différents essais (flexion trois points et quatre points et essai de cisaillement) ont été réalisés. Les essais de cisaillement sont réalisés sur deux échantillons. Un échantillon mis à l’aire libre à environ 25°c et l’autre au fou à 70°c afin d’apprécier l’influence de la température sur la résistance inter-laminaire (délaminage) de la composite tri-couche.
L’influence de l’humidité sur la contrainte de rupture a été également observée.
Mots clés: Sandwich, composite, peaux, âme, délaminage
ABSTRACT
Waste wood, bag and polystyrene due to their congestion in nature is a major concern for the preservation of the environment. The big cities of Africa in general and those of West Africa in particular are invaded by various plastic waste which not only constitute a visual pollution but also, among other damage, prevent the infiltration of rainwater into the subsoil and thus constitute an environmental problem. The aim of our work is to produce composite materials (three-layer plate: wood / plastic-wood / polystyrene-wood / plastic) that can be used in construction, helping the structures responsible for environmental problems by recycling this waste.
We made the monolayer and sandwich plates (tri-layer) and then experimental studies of the mechanical behavior of these composites. The sandwich material consists of sawdust from wood-plastic bags as skins and sawdust from wood-polystyrene as a core. We have determined the mechanical properties such as mechanical strength at break, flexural stiffness modulus (D), flexural shear modulus (Ga), sandwich shear modulus (N), and La Ultimate shear stress ( ) (delamination) of this type of material. Thus various tests (three-point bending and four points and shear test) were carried out. The shear tests are carried out on two samples. A sample in the open area was approximately 25 ° C and the other at 105 ° C in order to appreciate the influence of the temperature on the inter-laminar strength of the tri-layer composite. The influence of the humidity on the constraint of rupture has also been observed.
Table des matières
DEDICACES ... i
REMERCIEMENTS ... ii
RESUME ...v
ABSTRACT ... vi
LISTE DES FIGURES ...x
LISTE DES TABLEAUX ... xiv
LISTE DES ACRONYMES ... xv
Chapitre1: Introduction générale ...1
1.1Contexte et Pertinence de l’étude………...2
1.2 Objectif de l’étude : ... 6
1.3 Méthodologie... 7
CHAPITRE 2: La revue de la literature ...8
2.1 Généralités sur les matériaux composites : ... 9
2.1.1 Introduction ...9
2.1.2 Les polymères synthétiques ... 10
2.1.3 Renfort ... 19
2.1.4 Les adjuvants ... 20
2.2 Les procédés de fabrication des composites bois polymères (CBP) ... 21
2.2.1 L’extrusion ... 21
2.2.2 L’injection ... 22
2.2.3 La thermo-consolidation ... 23
2.3 Analyse des travaux sur les composites bois/polymères... 24
2.3.1 Influence de l’essence de bois ... 24
2.3.2 L’influence de la température de fonte ... 25
2.3.3 L’influence de la morphologie du renfort ... 25
2.3.4 Influence de l'humidité et de la température sur les CBP ... 27
2.4 Structure sandwich ... 28
2.4.1 Définition et constituants d’un sandwich ... 28
2.4.2 Procédés de fabrication des panneaux ... 33
2.5 Analyses des travaux sur les structures sandwichs ... 36
2.5.1 Caractéristique géométrique des sandwichs ... 36
2.5.2 L’effet de l’épaisseur de l’âme sur la rigidité et la résistance de la structure sandwich ... 37
2.5.3 Intérêt des composites sandwichs... 38
2.5.4 Mode d’endommagement et ruine des structures sandwichs (A. Mir, 2011) ... 39
CHAPITRE 3: Matériels et Methodes expérimentales ... 43
3.1 Matériels expérimentales ... 43
3.1.1 La sciure de bois ... 43
3.1.2 Le polystyrène expansé ... 44
3.1.3 Le solvant ... 45
3.1.4 Les sachets plastiques (polystyrène basse densité) ... 45
3.2 Méthodes expérimentales : ... 45
3.2.1Caractéristiques physiques des constituants des composites………45
3.2.2 Formulation des colles ... 54
3.2.3Formulation des mélanges sciures-colle………...57
3.2.4 Fabrication des composites tri-couches ... 62
3.2.5 Caractérisation des composites... 67
Chapitre 4: Résultats et discussions ... 79
4.1 Résultats………..………80
4.1.1Caractéristiques mécanique des plaques en composite bois/polystyrène……….80
4.1.2 Propriétés physiques des plaques ... 84
4.1.3 Résultats des essais mécaniques réalisés sur les composites ... 85
4.1.4 Mode de rupture des plaques ... 94
4.2Discussions ... 94
4.2.1 Influence de la granulométrie sur les caractéristiques du mélange bois/polystyrène... 94
4.2.2 Influence de la granulométrie sur les propriétés physiques des composites bois/polystyrène ………99
4.2.3 Comparaison du taux d’absorption des différents composites ... 99
4.2.4 Influence de la granulométrie sur les propriétés mécaniques (modules d’élasticité MOE et de rupture MOR) des composites bois/polystyrène (CBPo)... 100
4.2.5 Comparaison des caractéristiques mécaniques (modules d’élasticité MOE et de rupture MOR) des composites bois/polystyrène et bois/plastique ... 101
4.2.6 Les caractéristiques mécaniques des plaques tri-couches et leur évolution par rapport aux résultats antérieur... 102
4.2.7 Influence de la température et de l’eau sur les caractéristiques mécaniques des composites tri- couches ... 103
4.2.8 Analyse du comportement et du mode de rupture des plaques sous la variation de la charge………105
CHAPITRE 5: Application ... 108
5.1 Problématique ... 108
5.2 Fabrication ... 108
5.2.1 Etude de faisabilité d’une poutre de coffrage de section rectangulaire, conception et dimensionnement ... 108
5.2.2 Etude de faisabilité d’une poutrelle de coffrage en I, conception et dimensionnement ... 110
Conclusion et perspectives ... 116
Références Bibliographiques ... 117
ANNEXES : ... 122
LISTE DES FIGURES
FIGURE 1-1: SCIURE DE BOIS ... 5
FIGURE 1-2: VUE CANIVEAU (CARREFOUR TOYOTA) ... 6
FIGURE 2-1 :MATERIAU COMPOSITE ... 10
FIGURE 2-2:LES POLYESTERS INSATURES ... 12
FIGURE 2-3 :EXEMPLE DE PEBD ... 16
Figure 2-4 : Exemple de PEHD………..…..16
FIGURE 2-5 : DIFFERENTS TYPES DE POLYSTYRENE ... 16
FIGURE 2-6:VITRAGE EN PC ... 17
FIGURE 2-7:BOUTEILLE EN PET ... 17
FIGURE 2-8: PIECE EN POM ... 18
FIGURE 2-9: TUYAU EN PVC ... 18
FIGURE 2-10:ENGRENAGE ... 19
FIGURE 2-11: CAOUTCHOUC NATUREL,CR... 19
FIGURE 2-12:BOIS D'EBENE. ... 20
FIGURE 2-13: LES DIFFERENTS CONSTITUANTS D’UNE STRUCTURE SANDWICH ... 29
FIGURE 2-14:MATERIAUX POUR SANDWICH ... 29
Figure 2-15 : Matériaux pour l’âme ……….…30
Figure 2-16 : structure sandwich en bois de balsa et peaux en stratifié……….…..31
Figure 2-17 : L‘âme de Mousse……….………...32
Figure 2-18 : âme en Nid d’abeilles……….…32
Figure 2-19 : Mécanisme d’adhésion……….…..33
Figure 2-20 : Assemblage par collage………...35
Figure 2-21 : moussage du matériau sandwich……….36
Figure 2-22 : Comparaison des caractéristiques mécaniques en flexion (rigidité et résistance) et des masses de trois structures : une plaque et deux sandwichs……….…....38
Figure 2-23: Différentes sollicitations (M, N, T) appliquées sur un sandwich………...39
Figure 2-24 : Mode de ruine par « flambement généralisé » des peaux du sandwich………...40
Figure 2-25 : Mode de ruine par flambement généralisé « général BuckLing »de l’âme du sandwich……….……..………..…41
Figure 2-27: Observations macroscopique des faciès de rupture du sandwich………..….42
FIGURE 3-1: LA SCIURE DE L’EBENE ... 43
FIGURE 3-2 : LE POLYSTYRENE EXPANSE ... 44
FIGURE 3-3:LES SACHETS PLASTIQUES ... 45
FIGURE 3-4:COURBE D’ANALYSE GRANULOMETRIQUE DE LA SCIURE DU BOIS D’EBENE ... 49
FIGURE 3-5:COURBE D’ANALYSE GRANULOMETRIQUE DES MELANGES ... 49
FIGURE 3-6: DISPOSITIF DE FONTE DES SACHETS PLASTIQUES... 55
FIGURE 3-7 : VARIATION DU DOSAGE COLLE-SCIURE DE BOIS ... 60
Figure 3-8 : moule pour le bois plastique...63
Figure 3-9 : Fabrication des plaques………65
Figure 3-10 : le moule de fabrication des plaques………...…66
Figure 3-11 : Usinage des plaques………...66
Figure 3-12 : Fabrication des plaques de type sandwich par moulage (in situ)………..67
Figure 3-13: Fabrication des sandwichs par moulage……….67
Figure 3-14 : usinage des plaques sandwichs………...…68
Figure 3-15 : Mesure du gonflement……….69
Figure 3-16 : presse hydraulique……….………….…....74
Figure 3-17: Plaque de type sandwich………...77
Figure 3-18 : dispositif d’essai de flexion trois et quatre points………..…..78
Figure 3-19: Flexion sur appuis rapprochés pour le cisaillement inter-laminaire……….79
Figure 4-1: Courbe épaisseur-force de pressage du mélange CBPO-630……….82
FIGURE 4-2:COURBE EPAISSEUR-FORCE DE PRESSAGE DU MELANGE CBPO-315 ... 82
FIGURE 4-3:COURBE EPAISSEUR-FORCE DE PRESSAGE DU MELANGE CBPO-160 ... 83
Figure 4-4: Courbe épaisseur-force de pressage du mélange grossier CBPO-MG………...83
Figure 4-5: Courbe épaisseur-force de pressage du mélange fin CBPO-MF………...83
Figure 4-6: Courbe de variation de la masse de l’éprouvette CBPO-630 en fonction du temps. ....84
Figure 4-8: Courbe de variation de la masse de l’éprouvette CBPO-630 en fonction du temps.….85 Figure 4-9: Courbe de variation de la masse de l’éprouvette CBPO-MG en fonction du temps….85 Figure 4-10: Courbe de variation de la masse de l’éprouvette CBPO-MF en fonction du temps……86 Figure 4-11: Comportement mécanique de la plaque CBPO-630 jusqu'à la rupture………..…….88
Figure 4-12: Comportement mécanique de la plaque CBPO-315 jusqu'à la rupture………….….88
Figure 4-13: Comportement mécanique de la plaque CBPO-160 jusqu'à la rupture………….….88
Figure 4-14: Comportement mécanique de la plaque CBPO-MG jusqu'à la rupture………89 Figure 4-15: Comportement mécanique de la plaque CBPO-MF jusqu'à la rupture………..89 Figure 4-16: Comportement mécanique de la plaque CBPL jusqu'à la rupture………..89
Figure 4-17: Comportement mécanique de la plaque tri-couche en flexion 3 points (CTC 3) jusqu’à la rupture………..…...91 Figure 4-18: Comportement mécanique de la plaque tri-couche en flexion 4 points (CTC 4)
jusqu’à la rupture………....91 Figure 4-19: Comportement mécanique de la plaque tri-couche (CTC-eau) en flexion 3 points
jusqu’à la rupture………..…..94 Figure 4-20: Comportement mécanique de la plaque tri-couche (CTC-70°c) en flexion 3 points
jusqu’à la rupture………....95 Figure 4-21: Différents modes de rupture des plaques CTC………96
Figure 4-22: Influence de la granulométrie sur le taux de compactage………..….97
Figure 4-23: Influence de la granulométrie sur la stabilité de masse des composites bois/polystyrène……….….98 Figure 4-24: Histogramme de la variation de la masse volumique en fonction des différentes classes
granulaires après et avant immersions………...….99 Figure 4-25: Variation du taux d’absorption en fonction des différentes classes granulaires…....100
Figure 4-26: Variation du gonflement en fonction des différentes classes granulaires………..….100
Figure 4-27: l’histogramme de comparaison des taux d’absorptions des composites…………..101
Figure 4-29: Histogramme de comparaison de MOE et de MOR des composites CBPo et CBPL………103 Figure 4-30: évolution de la contrainte de rupture par rapport aux résultats antérieurs…………104
Figure 4-31: Influence de la température sur l’interface âme et semelle des tri-couches………..105 Figure 4-32: Influence de la température et de l’humidité sur la contrainte à la rupture………...106
Figure 4-33: Influence de la température et de l’humidité sur le module d’élasticité…………...106
LISTE DES TABLEAUX
TABLEAU 1-1 :QUANTITE DES DIFFERENTS DECHETS PLASTIQUES DANS LES VILLES DU BENIN ... 5
TABLEAU 1-2 : QUANTITE DU BOIS DEBITE ET DE SCIURE DE BOIS PRODUIT AU BENIN EN 2013,2014 ET 2015 ... 5
TABLEAU 2-1: PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DES RESINES THERMODURCISSABLES. (SLAMA, DECEMBRE 2008) ... 11
TABLEAU 2-2:PROPRIETES DES RESINES THERMODURCISSABLES LES PLUS REPANDUES ... 13
TABLEAU 2-3: CARACTERISTIQUES DE QUELQUES THERMOPLASTIQUES (BAILON &MORIN,2005) . 14 TABLEAU 2-4:COMPARAISON DES PROPRIETES MECANIQUES DES CBP(BLEDZKI ET AL.,1998B) .... 24
TABLEAU 2-5 :PROPRIETES DES COMPOSITES DE POLYETHYLENE CHARGE DE FIBRES DE BOIS (JULSON ET AL.,2004) ... 26
TABLEAU 3-1:PROPORTIONS UTILISEES POUR LA CONSTITUTION DES MELANGES ... 47
TABLEAU 3-2 : RECAPITULATIF DE LA DENSITE APPARENTE PAR CLASSE ... 51
TABLEAU 3-3 : LES DIFFERENTES MASSES VOLUMIQUES DES CONSTITUANTS ... 54
TABLEAU 3-4 : RECAPITULATIF DES MASSES DES CONSTITUANTS DU MELANGE BOIS POLYSTYRENE EXPANSE ... 62
TABLEAU4-1 :TAUX DE COMPACTAGE DE DIFFERENTS MELANGES DU COMPOSITE BOIS/POLYSTYRENE. ... 84
TABLEAU 4-2 :MASSES VOLUMIQUES ET TAUX D’HUMIDITE ET D’ABSORPTION. ... 86
TABLEAU 4-3:GONFLEMENT DANS LES TROIS DIRECTIONS ... 87
TABLEAU 4-4 :CARACTERISTIQUES MESUREES EN FLEXION TROIS (3) POINTS SUR LES PLAQUES BOIS/ POLYSTYRENE ET BOIS/ PLASTIQUE... 92
TABLEAU 4-5 :CONTRAINTE DE RUPTURE DES PEAUX DES PLAQUES TRI-COUCHES. ... 92
Tableau 4-6 : influence de la température sur la contrainte limite de délaminage inter-faciale …92 Tableau4-7 : Caractéristiques mécaniques (rigidité, module de cisaillement, module de cisaillement de l’âme) de la plaque tri-couches………...93
Tableau 4-8 : évolution des caractéristiques mécanique des composites tri-couches……….…….94
Tableau 4-9 : influence de l’eau et de la température sur les plaques tri-couches………..95
Tableau 4-10 : évolution des caractéristiques mécanique du tri –couche………..104
TABLEAU 5-1: DEVIS QUANTITATIF ... 115
TABLEAU 5-2:DEVIS ESTIMATIF ... 116
Réalisé par M. Emmanuel HOUESSOU xv
LISTE DES ACRONYMES
CBP Composites bois Polymères CBPo Composite Bois Polystyrène
CBPo-MG Composite Bois Polystyrène mélange grossier CBPo-MF Composite Bois Polystyrène mélange fin CBPL Composite Bois plastique
CTC Composite tri-couches
CTC 3 Composite tri-couches essais trois points CTC 4 Composite tri-couches essais quatre points
CTC-70°c Composite tri-couches soumis à une température de 70°c pendant 24h CTC-eau Composite tri-couches immergé dans l’eau pendant 24h
CREPA Centre Régional pour l'Eau Potable et l'Assainissement D module de rigidité en flexion
D1 dosage du matériau composite monocouche bois-plastique D2 dosage du matériau composite monocouche bois-polystyrène EPAC Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi
Ga : module de cisaillement HIPS High-Impact Polystyrène
LVL Laminated Veneer Lumber (Panneaux de fibres lamellées et collées) M moment fléchissant
MDF Medium Density Fiberboard (Panneaux de fibres Densité Moyenne) MF Aminoplastes
MOE Module d’Elasticité MOR Module de Rupture
rupt Contrainte de rupture la contrainte de délaminage N Effort Normal
Réalisé par M. Emmanuel HOUESSOU xvi ONU Organisation des Nations Unies
OSB Oriented Strand Board (Panneaux à particules orientées) p charges
PA Polyamides PE Polypropylène
PEBD Polyéthylène Basse Densité PEHD Polyéthylène Haute Densité PEN Polyéthylène Naphtalate PET Polyéthylène Téréphtalate PF Phénoplastes
PMI polyméthacrylate imide POM Polyoxy-Méthylène PP Polypropylène
PS Polystyrène
PSE Polystyrène Expansé
PSE-E Polystyrène Expansé Extrudé PUR Polyuréthane
PVC Chlorure de Polyvinyle WPC Wood Plastics Composits
1 .1 Contexte et
Pertinence de l’étude 1.2 Objectifs de l’étude
1.3 Méthodologie
INTRODUCTION GÉNÉRALE
1
Chapitre1: Introduction générale 1.1 Contexte et Pertinence de l’étude
L’activité humaine provoque un changement signi catif du climat qui entraine déjà des répercussions importantes. Pour éviter le pire, la communauté internationale s’est xée comme but de diviser par deux les émissions de gaz à effet de serre avant 2050 (déclaration de Rio + 20, 2012). Les pays industrialisés devront pour leur part consentir un effort particulier et diviser par quatre leurs émissions en moins de cinquante ans.
le secteur du bâtiment est souvent considéré comme une « mine d’or » pour réduire ce phénomène (DESSAU,S . 1998). Ainsi, une piste pour minimiser les impacts du bâtiment sur l’environnement, est de chercher et développer l’utilisation des matériaux qui sont renouvelables, consommant très peu d'énergie et qui produisent un minimum de pollution et de risques pour la santé. De ce fait, à l’heure actuelle, on retrouve un intérêt dans l’utilisation de matériaux d’origine naturelle tels que les végétaux (le bois, la paille, le chanvre, le lin, les balles de riz, etc. ) qui sont renouvelables, recyclables et durables et peuvent contribuer à limiter de manière non négligeable les émissions de gaz à effet de serre grâce à leur capacité d’emprisonnement du CO2. De plus, l’utilisation de matériaux naturels avec des constructions innovantes permet également de réduire le coût de construction.
Au Bénin l’utilisation quotidienne des matériels en plastique a atteint un degré inquiétant (Tableau 1-1). En effet, selon (DESSAU,S . 2012) les décharges béninoises ont accueilli plus de 12 000 tonnes de déchets plastiques dont plus de la moitié est du sachet d’emballage dont 86% sont jetés dans la rue après usage, 5,50%
incinérés pour faire place nette, 5,50% brûlés comme source d’énergie ce qui produit de CO2 qui est l’un des principaux gaz à effet de serre responsables du réchauffement planétaire, et 2,75% restants pour autres usages. Le constat général est que les matières plastiques font partie intégrante du quotidien des Béninois.
Plusieurs études ont montré que les sachets plastiques, dont la durée de vie varie entre 100 et 400 ans en fonction des conditions, influencent beaucoup le milieu de vie et leurs conséquences, énormes et multiples vont de l’environnement à la santé humaine.
descendre jusqu’à la nappe phréatique parce qu’ils sont non-biodégradables. Ils constituent un frein à la croissance végétale favorisant ainsi la désertification.
Dans les années 1980, il a été constaté que des milliards de petits fragments de plastiques étaient présents jusque dans l’océan Austral, bien au sud de la convergence antarctique, en mer de Ross. Les plastiques flottants deviennent des déchets marins qui, même dans des zones éloignées tuent des espèces protégées et menacées (E.Gildas, 2014). Selon une étude publiée en 2011 par l’Institut océanographique de San Diego (Californie), on trouvait en 2009 des morceaux de plastique ingérés dans 1 poisson sur 10 dans le Pacifique Nord, et les poissons vivant aux profondeurs ingéreraient en moyennes 24000 t/an (E. Gildas, 2014).
Selon le Ministère des Ressources Animales du Burkina, environ 30% de la mortalité du bétail est attribué aux sachets plastiques suite à leur ingestion par les animaux. Au Togo, il a été constaté que des poulets et moutons élevés meurent d’occlusion stomacale après avoir confondu des bouts de plastiques à des vers de terres et à des feuilles (E. Gildas, 2014).
Outre cela, les sachets plastiques s’accumulent dans le sol pour former des couches successives. Le sol devient donc instable et il en résulte des glissements de terrain comme ce fut le cas dans nombres de pays du tiers monde où on a eu à déplorer des morts. Il faut noter entre autre que les sachets plastiques sont aussi en partie responsables de la pénurie d’eau. L’explication nous permet d’affirmer que l’assèchement des puits et forages est aussi la conséquence d’une mauvaise gestion des plastiques usagers qui, enfouis sous le sable, empêchent l’eau de s’infiltrer dans le sol pour atteindre les nappes phréatiques, créant ainsi des inondations, avec le bouchage des conduites (cf. figure 1-2) d’eau de ruissellement. Et à Cotonou, la capitale économique, cette situation accroît les risques, du fait de l’occupation des passages naturels de l’eau par les habitations.
L’Association médicale américaine a publié en octobre 2008, une étude concluant que les sachets plastique sont à l’origine du diabète et des maladies cardiovasculaires (E. Gildas, 2014). La fumée produite par l’incinération des sachets plastiques contient des dioxines cancérigènes», fait remarquer un spécialiste de la santé humaine qui précise que les sachets plastiques provoquent le cancer. En effet, ce gaz toxique
malformations chez les nouveaux nés. Ils sont aussi à l’origine du Paludisme et des maladies diarrhéiques.
Par ailleurs on note d’importantes quantités de résidus de bois (cf. figure 1-2, tableau 1-2) issus des différents usages du bois des scieries au Bénin. Ces résidus sont soit déversés dans la nature, soit brulés, contribuant ainsi à la pollution de la nature et à l’augmentation des gaz à effet de serre.
Afin de contribuer à relever ce défi majeur qu’est la préservation d’un environnement sain et de qualité, notre étude va se pencher sur le recyclage des sachets et du sciures de bois pour en faire des matériaux composites bois-plastique , bois-polystyrène. Au Bénin, peu d’études sont réalisées dans le cadre d’état de connaissance des matériaux composites à base du sachet plastique. Certes, certaines études menées par « Eco plan, 2002 » permettent de mettre en évidence les différentes proportions de déchets plastiques (PEBD, PEHD, PP, PET, PVC, PS, PUR) présentes dans les tas d’ordures au niveau des grandes villes du pays (cf. tableau I). Au niveau de notre département de génie civil, on peut citer les récents travaux de recherche de (TCHEHOUALI D. A., KOWANOU H., SANYA E. A., 2012) portés sur un nouveau matériau à base de granulats et de déchets plastiques fondus. Ce pendant les travaux de (GUIDIGO, 2012 et 2013) et de (CHANHOUN, 2013) sont les premiers qui ont portés sur la caractérisation des matériaux monocouches en composites bois- plastiques et ceux de TOGBEDJI, B. (2008) et d’Edem, 2012 qui ont caractérisé les matériaux monocouche bois-polystyrène. Vu les caractéristiques mécaniques insuffisantes de ces deux matériaux pour leur utilisation comme élément de structure dans le bâtiment, YOCOPIE et Julien ont essayé en 2015 de les associer pour former un matériau sandwich. Ainsi, nous nous proposons de continuer ces travaux toute en améliorer l’adhésion de l’interface bois –plastique et bois-polystyrène puis évoluer dans la caractérisation mécaniques de notre nouveau matériaux tri-couche.
C’est pourquoi nous allons commencer par une introduction générale dans le chapitre1, en suite une revue de la littérature dans le chapitre 2, puis suivra le chapitre3 intitulé Matériels et Méthodes Expérimentales, nous allons déboucher sur le chapitre4 dans lequel nous allons présenter et discuter nos résultats, proposé une application dans le 5ème chapitre et en fin conclure.
Tableau 1-1 : Quantité des différents déchets plastiques dans les villes du Bénin
Quantité en tonnes
No Types de Cotonou Porto Novo Parakou Ville en sec Total % plastiques
1 PEHD 2314,67 84,47 118,17 544,27 3061,58 l,36,3 2 PEBD 191,25 534,00 244,79 3440,85 4410,89 52,29 3 PP 32,09 28,16 - 181,42 241,67 2,87 4 PET 103,49 12,20 126,61 78,64 320,94 3,8 5 PVC - 7,21 8,44 46,44 62,09 0,74 6 PS - 18,93 16,88 121,98 157,79 1,87 7 PUR 81,87 12,01 8,44 77,44 179,72 2,13 8 Total 2723,37 696,98 523,34 4491 84334,69 100
Source: Etude Eco Plan-Tractebel, 2002
Source : DGFRN, ONAB, 2015
Figure 1-1: photo d’un tas de sciure de bois (Pierre MARTIN Juin 2015)
Tableau 1-2 : quantité du bois débité et de sciure de bois produit au Bénin en 2013,2014 et 2015
Année volume du bois débité (m3)
volume de sciure de bois (tonne)
2013 8517,2 2981,02
2014 13260,3 4641,105
2015 13033,5 4561,725
Figure 1-2: vue caniveau (carrefour TOYOTA)
1.2 Objectif de l’étude :
Objectif général :
L’objectif global est de trouver de nouvelles alternatives de valorisation des résidus de l’industrie des panneaux de bois et les déchets plastiques pour des fins précises essentiellement comme celles de faire des matériaux légers profitables dans le domaine de la construction.
Objectifs spécifiques :
Les objectifs de notre travail consistent alors à :
1. L’étude de la disponibilité de la matière première (enquête sur la production des déchets de bois, de sachet-plastique et de polystyrène) ;
2. La formulation des mélanges (sciure de bois-sachet plastique) et (sciure de bois- polystyrène expansé) ;
3. Au choix du dosage du mélange colle en polystyrène- sciure de bois ; 4. L’étude de la variation de l’épaisseur des composites bois- polystyrène
expansé (réalisé avec le dosage retenu) en fonction de la force de pressage ;
5. La réalisation des plaques bois-polystyrène expansé suivant toutes les compositions granulaires ;
6. La détermination des caractéristiques physiques et mécaniques des composites bois- polystyrène expansé ;
7. La réalisation des plaques bois-polystyrène expansé et bois plastique suivant le choix granulaire ;
8. La réalisation des matériaux tri couches ;
9. La détermination de la contrainte ultime en cisaillement inter laminaire (délaminage) des composites tri-couches ;
10. La détermination des caractéristiques physiques et mécaniques des composites tri-couches ;
11. L’influence de l’eau et de la chaleur sur les caractéristiques mécaniques des sandwichs.
12. Etude de la faisabilité d’une poutre en I avec les matériaux sandwich.
1.3 Méthodologie
La démarche à suivre est la suivante :
rechercher la revue de littérature (articles, thèses, livres, etc.) relative aux composites à base de biomasse végétal (étude de formulation, caractéristiques physiques et mécaniques) ;
recycler les sachets, polystyrènes et les sciures de bois ;
Formuler les mélanges sciure de bois-sachet plastique et sciure de bois- polystyrène expansé;
Réaliser des panneaux monocouches en composites bois/plastique et bois/polystyrène;
réaliser des panneaux tri-couches de composites (sciures de bois-plastique- bois- polystyrène- bois-plastique) ;
Réaliser les essais de caractérisation mécanique : essai de flexion trois points, essai de flexion quatre points et essai de cisaillement.
Enfin en faire une application.
2.1. Généralités sur les matériaux composites
2.2. Les procédés de fabrication des composites bois/polymères 2.3. Analyse des travaux sur des composites bois/polymères 2.4. Structure sandwich
2.5. Analyses des travaux sur les structures sandwichs
REVUE DE
LITTERATURE
2
CHAPITRE 2: La revue de la littérature
Une revue bibliographique sur les matériaux composites en construction sandwich est présentée dans ce chapitre. Cette revue débutera avec une exposition plutôt générale des matériaux composites et leurs procédés de fabrication. Dans un second temps, l’accent sera mis sur les composites à structure sandwich, leurs différents constituants, l’intérêt de leur utilisation ainsi que les différents domaines d’application. Enfin on présentera une revue des travaux réalisés concernant les problèmes relatifs à la mise en forme des composites de grande épaisseur.
2.1 Généralités sur les matériaux composites :
2.1.1 Introduction
Une définition générale d’un matériau composite est donnée par Berthelot « un matériau composite est constitué de l’assemblage d’au moins deux matériaux non miscibles et de nature différente, se complétant et permettant d’aboutir à un matériau dont l’ensemble des performances est supérieur à celui des composants pris séparément ». Pris sous cette acception, un matériau est constitué de différentes phases nommées renforts et matrice. Lorsque le matériau composite est non endommagé, les renforts et la matrice sont parfaitement liés et il ne peut y avoir ni glissement ni séparation entre les différentes phases. Les renforts se présentent sous forme de bres continues ou discontinues. Le rôle du renfort est d’assurer la fonction de résistance mécanique aux efforts. La matrice assure quant à elle la cohésion entre les renforts de manière à répartir les sollicitations mécaniques. Nous notons généralement deux types de matrice : la matrice minérale (céramique et métallique) et la matrice organique (les thermoplastiques et les thermodurcissables). Cette dernière catégorie fera l’objet de notre étude.
Figure 2-1 : Matériau composite
2.1.2 Les polymères synthétiques
Selon leur comportement vis-à-vis de la chaleur, les polymères peuvent être divisés en deux grandes classes: les thermoplastiques et les thermodurcissables. Les thermoplastiques, peuvent se ramollir chaque fois qu'ils sont portés à une température déterminée après leur mise en forme (Polypropylène PP, Polyéthylène PE, Polychlorure de vinyle PVC, etc.).
L'autre groupe est celui des matériaux polymères thermodurcissables (Époxy, Polyuréthanne, colles phénoliques, etc..). Ces polymères ont des structures réticulées, formant un réseau 3D et caractérisés par des liaisons covalentes qui assurent les pontages entre les chaînes. Chaque polymère de ces deux groupes possède un ensemble de propriétés et de procédés de fabrication spécifiques. Cependant, l'incorporation de charges (ou renforts) peut modifier leurs caractéristiques physiques et mécaniques (Trotignon et al., 1996; Nabi Saheb et al., 1999).
2.1.2.1 Les thermodurcissables
Les thermodurcissables sont des plastiques à base de polymères qui, ayant subi une réaction chimique (amorcée par la chaleur, par les catalyseurs ou par la lumière UV), se transforment en un produit relativement infusible et insoluble. Il se trouve à l'état réticulé.
Ces polymères se comportent donc comme le béton : après la réticulation, on ne peut plus les fondre ou les mouler à nouveau.
Les plastiques thermodurcissables typiques sont les phénoliques, les polyuréthanes, les mélamines, les urées formaldéhydes (urée-formols) et Ceux à base de résines époxydes.
Les colles, ou polymères thermodurcissables, sont largement utilisés pour le collage du
bois ou dans les composites à base de bois, en particulier ceux à base de fibres cellulosiques (koubaa, 2005).
Les thermodurcissables sont utilisés comme adhésifs pour le bois et les fibres de bois. Les adhésifs (résines) les plus couramment employées par l'industrie des panneaux de bois sont l'urée formaldéhyde (UF) (Xing, 2003), le phénol formaldéhyde (PF) et les colles isocyanates (Rosthauser et al, 1997). L’adhésion résine-bois est très importante pour améliorer la qualité des produits finis. Les bois les plus difficiles à coller sont les bois riches en résines, gommes ou matières huileuses (pin maritime, teck). D'autre part, la teneur en humidité du bois a des effets sur l'adhésion puisqu'un excès d'eau dans le bois risque de diluer la résine. D'autre part, un manque d'humidité peut provoquer une prise trop rapide (Xing, 2003) . Le tableau 2-1 montre les principales caractéristiques des résines thermodurcissables.
Tableau 2-1: principales caractéristiques des résines thermodurcissables. (SLAMA, Décembre 2008)
: densité; MOE: Module d'élasticité (en flexion) ;
R: Résistance à la traction ; Tc : Teneur à la chaleur continue
Les polyuréthanes (PUR)
Ce sont des matériaux dont les caractéristiques sont très variées avec une grande diversité de textures et de duretés. Les polyuréthanes sont les polymères les plus utilisés pour faire les mousses. En fonction des associations chimiques réalisées avec différents
monomères on peut obtenir des colles, des élastomères, des fibres (Licra) des mousses souples ou rigides grâce à des agents d’expansion, des polyuréthanes solides et compacts que l’on peut renforcer par de la fibre de verre. On les utilise pour fabriquer des matelas, des sièges de voiture, des tableaux de bord, des roues de patins à roulettes ou des chaussures de ski…
Les polyesters insaturés
Le polyester (figure 2-2) sert surtout à fabriquer des fibres textiles artificielles, Les tissus produits sont brevetés sous les noms de Dacron, de Tergal ou de Térylène. La fibre polyester est la plus produite dans le monde car son utilisation très est répandue dans l'habillement. Ses applications se sont aussi diversifiées dans l'industrie, notamment sous forme de films destinés à l’agriculture, aux travaux publics, aux coques et cabines de bateaux, aux carrosseries d'automobiles, aux piscines.
Figure 2-2: Les polyesters insaturés
Les phénoplastes (PF) :
Dans ce groupe, une des plus anciennes matières plastiques connue est la Bakélite. Ce matériau providentiel a eu d'innombrables applications dans le domaine scientifique et dans la réalisation d'objets : téléphones, postes de radio. Ces résines thermodurcissables
résistent très bien aux produits chimiques et à la chaleur. Elles sont aussi électriquement isolantes. On peut les transformer par moulage et par compression pour fabriquer les poignées de casserole, de fer à repasser et des plaques de revêtement.
Les aminoplastes (MF)
Ces produits résineux sont essentiellement utilisés en stratification sur des textiles plastifiés, les panneaux de bois agglomérés pour le mobilier de cuisine et les plans de travail. Le tableau 2-2 regroupe quelque propriété des thermodurcissables
Tableau 2-2: Propriétés des résines thermodurcissables
Nom de la résine
Plage de Température De distorsion (°C)
Avantages Limites d’utilisation
Polyester insaturé (UP)
60-120
Bonne résistance
chimique, Mise en œuvre facile, Prix réduit
Retrait au moulage
important, forte
inflammabilité et faible résistance en fatigue
Epoxy (EP)
90-200
Haute performance en résistance et rigidité, Très faible retrait au moulage, Stabilité dimensionnelle
Prix élevé,
Vieillissement sous température, Temps de polymérisation très longs
Phénoliques (PF)
120-200 Haute rigidité Fragile, Inflammable
Venylesters
(VE) 100-130
Cuisson à température ambiante, Haute résistance chimique, résistance mécanique, et ductilité.
Retrait au durcissement important, Post cuisson généralement requise pour des propriétés élevées
2.1.2.2 Les thermoplastiques :
Les thermoplastiques ramollissent sous l'effet de la chaleur. Ils deviennent souples, malléables et durcissent à nouveau quand on les refroidit. Avant transformation, ils sont sous forme de granulés ou de poudre dans un état chimique stable et définitif car il n’y a pas de modification chimique lors de la mise en forme. Les granulés sont chauffés puis moulés par injection et le matériau broyé est réutilisable. Comme cette transformation est réversible, ces matériaux conservent leurs propriétés et ils sont facilement recyclables.
Ils sont utilisés comme éléments décoratifs dans diverses applications (le bâtiment, la construction, etc.). Les thermoplastiques sont généralement des matériaux ductiles. Le tableau 2-3 montre quelques caractéristiques des polymères thermoplastiques les plus couramment utilisés.
Tableau 2-3: caractéristiques de quelques thermoplastiques (Bailon & Morin, 2005)
Polymères Densité MOE A (0/0) R(IZOD) Tfle (0C) (N/mm2) (N/mm2) (KJ/m2)
PVC 1,5 50 2400 10-50 - 60
PS 1,05 40 2800-350 4 - 90
HDPE 0,95 30-35 1000 700-1000 5 77
PET 1,39 2,5 3400 90 3 80
PMMA 1,19 65 3300 4 15 95
PP 0,91 20-40 1100-1600 200-1000 - 100 : Résistance à la traction ; MOE Module d’élasticité en flexion
A : Allongement à la rupture ; R(IZOD) : Résistance au choc ; Tfle (0C) : Température de fléchissement sous charge (1,8 N/mm2) PVC : Chlorure de polyvinyle rigide ;
PS : Polystyrène à l’état cristal ; HDPE : Polyéthylène à haute densité ; PET : Polyéthylène Téréphtalate cristallin ;
PMMA : Poly méthacrylate de méthyle à l’état amorphe ; PP : Polypropylène à l’état semi cristallin.
Polyéthylène (PE)
Cette matière plastique représente à elle seule environ un tiers de la production totale des matières synthétiques et constitue la moitié des emballages plastiques. Plusieurs millions de tonnes de polyéthylène sont produites chaque année car c’est un matériau extrêmement polyvalent et important sur le plan économique et écologique. Grâce à sa structure chimique simple, le polyéthylène prime sur la plupart des autres matériaux car il peut être réutilisé. Au cours de ces dernières années, le recyclage des produits usés en PE a pris de plus en plus d'importance :
50% du PE constituant les sacs poubelle sont recyclés. Le polyéthylène est translucide, inerte, facile à manier et résistant au froid. Il existe différents polyéthylènes classés en fonction de leur densité. Celle-ci dépend du nombre et de la longueur des ramifications présentes dans le matériau. On distingue deux familles : le PEBD (polyéthylène basse densité) et le PEHD (polyéthylène haute densité).
Le PEBD est utilisé dans les domaines les plus divers. Sa densité est inférieure à celle de l'eau. Il présente une bonne résistance chimique, il est olfactivement, gustativement et chimiquement neutre pour les denrées alimentaires. Il est transparent, peut être facilement transformé et se prête très bien au soudage. Sa durée de vie est très longue à cause de sa grande stabilité et il se recycle bien. Les principales applications du PEBD sont des produits souples : sacs, films, sachets, sacs poubelle, récipients souples (bouteilles de ketchup, de shampoing, tubes de crème cosmétique…).
Le PEHD est utilisé pour des objets plastiques rigides. On le trouve par exemple dans des bouteilles et des flacons, des bacs poubelles, des cagettes, des tuyaux, des fûts, des jouets, des ustensiles ménagers, des boîtes type « Tupperware »… Certains sacs plastiques sont constitués par du PEHD : lorsque le sac se froisse facilement sous la main, avec un bruit craquant et revient spontanément à sa forme d'origine, c'est du PEHD
(figure2-4). Lorsque le touché est plus « gras » que le plastique, se froisse sans bruit et se perce facilement avec le doigt, c'est du PEBD (Figure2-3)
Figure 2-3 : Exemple de PEBD Figure 2-4 : Exemple de PEHD
Le polystyrène (PS)
Le polystyrène est un plastique dur, cassant et transparent. On distingue trois types de polystyrènes (figure2-5) :
Le polystyrène « Cristal » : C’est un plastique dur et cassant utilisé pour de nombreux types de boîtes, les boîtiers CD notamment
Le polystyrène « choc »
Le polystyrène expansé (PSE) : c’est le matériau le plus connus et utilisé de la gamme. Ce polystyrène est solide à 20°C, pâteux à 120°C et fondant à 160°C. C’est une sorte de mousse blanche compacte inflammable et combustible. C’est un matériau qui sert à emballer les appareils sensibles aux chocs et qui est un très bon isolant thermique pour les plaques de doublage des murs.
a- polystyrène expansé b- polystyrène cristal c- polystyrène choc
Figure 2-5 : différents types de polystyrène
Le polycarbonate (PC) :
Le polycarbonate (figure2-6) est un matériau qui présente d'excellentes propriétés mécaniques et une bonne résistance thermique jusqu'à 120°C. On l’utilise pour la fabrication des casques de moto ou des boucliers de police. Comme il est très transparent, il sert aussi à la fabrication des CD et des DVD, des vitrages des guichets à l'épreuve des balles et des phares, feux arrière et clignotants de voitures. Enfin, sa neutralité physiologique permet son utilisation dans le domaine médical pour la fabrication de matériel et de prothèses. Par contre, il résiste mal aux contacts prolongés avec l'eau, aux agents chimiques et aux rayons ultraviolets.
Figure 2-6 : Vitrage en pc Les polyesters et le polyéthylène téréphtalate (PET)
Le PET (Figure 2-7) est surtout employé pour la fabrication de fils textiles et de bouteilles. L'inventeur des bouteilles en PET, Nathaniel Wyeth voulait faire une bouteille incassable. Cependant, ce plastique devient mou à moyenne température. Cette propriété empêche de consigner les bouteilles en PET car il faut les laver à une température trop haute. Pour cette même raison, on ne peut pas l’utiliser pour les confitures qui sont coulées chaudes dans les pots Il existe aujourd’hui un nouveau type de polyester plus résistant à la chaleur qui correspond à ce que l'on recherche pour les pots de confiture et les bouteilles consignées. C'est le polyéthylène naphtalate ou PEN.
Figure 2-7 : Bouteille en PET
Les polyacétals ou polyoxyméthylène (POM) :
Les polyacétals (figure2-8) ont des propriétés qui les rendent irremplaçables pour des pièces à fortes exigences mécaniques comme les engrenages et les poulies. Ils sont solides, présentent les qualités de métaux tels que l'acier, l'aluminium ou le zinc. Ils résistent à la plupart des agents chimiques et ont un faible coefficient de frottement. Par contre, ils ont une densité élevée et une assez faible résistance à la température. La recherche vise à augmenter leur résistance au choc pour permettre la réalisation de plus grosses pièces.
Figure 2-8 : pièce en POM (YOCOPIE 2015) Le polychlorure de vinyle PCV :
Le PVC (figure2-9) rigide qui a un aspect lisse et dur est utilisé pour les tuyaux de canalisation. Le PVC souple qui recouvre certaines pièces comme les manches de pinces a un aspect brillant. C'est après le PE, le plastique le plus utilisé au monde. Il est largement employé dans l’industrie de l'ameublement et dans le bâtiment ou le génie civil.
Figure 2-9 : tuyau en PVC Les polyamides (PA) :
C'est la première matière plastique à avoir été découverte en 1938. Selon la longueur des chaînes, on obtient différents types de PA (figure : 2-10) que l’on distingue par des chiffres : par exemple le PA6.6 est le nylon. Ce sont des polymères qui offrent un bon compromis entre des qualités mécaniques, thermiques et chimiques. Les polyamides sont utilisés pour réaliser des pièces moulées dans l'appareillage ménager et automobile, des
tapis et des moquettes, de la robinetterie, de la serrurerie, des engrenages, des textiles (lingerie et voilages)... L'inconvénient principal de tous les polyamides est qu’ils sont hydrophiles ce qui limite leur usage pour certaines pièces mécaniques.
Figure 2-10 : Engrenage 2.1.2.3 Les élastomères
Ces polymères (figure2-11) présentent les mêmes caractéristiques élastiques que le caoutchouc. Un élastomère au repos est constitué de longues chaînes moléculaires repliées sur elles-mêmes. Sous l'action d'une contrainte, les molécules peuvent glisser les unes par rapport aux autres et se déformer. Pour que le matériau de base présente une bonne élasticité, il subit une vulcanisation. La vulcanisation est un procédé de cuisson et de durcissement qui permet de créer un réseau tridimensionnel plus ou moins rigide sans supprimer la flexibilité des chaînes moléculaires. On introduit dans l’élastomère au cours de la vulcanisation du soufre, du carbone et différents agents chimiques. Différentes formulations permettent de produire des caoutchoucs de synthèse en vue d’utilisations spécifiques. Les élastomères sont employés dans la fabrication des coussins, de certains isolants, de semelles de chaussures, de pneus (SCIENCE, 2006).
Figure 2-11 : caoutchouc Naturel, CR
2.1.3 Renfort
Le bois est une ressource naturelle qui est un peu partout disponible dans les parties non désertique du globe terrestre, avec une gestion appropriée, l’approvisionnement du
bois et autres matériaux dérivés est potentiellement inépuisable. Ses propriétés sont hétérogènes et anisotropes, elles changent avec les conditions environnantes. Parmi les facteurs qui contribuent à son hétérogénéité, nous avons les essences feuillues et les essences résineuses, qui se distinguent par leurs compositions anatomiques et chimiques différentes. La sciure de bois est issue de l’utilisation du bois dans les scieries et ateliers de façonnage du bois (figure2 -12).
Depuis plusieurs années, bien que les fibres de bois présentent plusieurs avantages lorsqu'elles sont employées comme charges pour la fabrication de composites bois-plastiques, il existe toutefois, des inconvénients majeurs notamment leur forte rétention d'humidité, leur photo-dégradation, ainsi que la forte incompatibilité de l'interface bois/polymère (Clemons, 2002; Michaud, 2003).
2.1.4 Les adjuvants
Les deux constituants principaux d'un composite qui sont : le renfort et la matrice peuvent être mélangés avec des additifs nécessaires pour assurer de bonnes liaisons et améliorer l'adhésion entre les éléments du produit final. Les adjuvants ou additifs ajoutés permettent également de modifier l'aspect ou de perfectionner les caractéristiques de la matière à laquelle ils sont ajoutés : Ils se présentent sous forme d'agents de couplage, de lubrifiants, de pigments de coloration et d'agents anti-UV, etc. Les lubrifiants sont incorporés aux polymères plastiques afin d'assurer une lubrification externe et interne. D'une part, ils éliminent le frottement externe entre le polymère et la surface métallique de l'équipement de mise en forme; d'autre part, ils
Figure 2-12: Bois d'ébène. Source:www.brindauvergne.com
améliorent les caractéristiques d'écoulement interne du polymère, tout en augmentant les propriétés de mouillage des composants.
Dans l'industrie des CBP, on emploie les additifs (sous forme de lubrifiants et d'agents de couplage) qui favorisent l'adhésion des fibres de bois (hydrophiles) et plastiques (hydrophobes). C'est souvent le couplage des agents chimiques (traitement à l'anhydride maléique, etc.) qui est utilisé pour améliorer l'affinité et l'adhésion fibres- matrice. Lors de leur étude sur les agents de couplage dans les composites bois- plastiques, Lu et al. (2000) ont mis en évidence le fait que les agents organiques génèrent une meilleure adhésion que les agents inorganiques. D'une manière générale, il est possible d'améliorer la résistance à l'impact grâce à une grande quantité d'additif (10%).
2.2 Les procédés de fabrication des composites bois polymères (CBP)
Il existe deux grandes techniques de fabrication des CBP : les techniques plasturgistes et les techniques industrielles. Les techniques plasturgistes ont pour point commun la réalisation du mélange des matières premières à une température correspondant à une phase liquéfiée des plastiques. Ce dispositif permet de réaliser un mélange homogénéisé de fibres cellulosiques et d’un thermoplastique à haute température.
Une fois le mélange réalisé, il est possible de fabriquer le produit par extrusion, compression ou injection, etc. L’industrie du bois a aussi développé ses propres méthodes de fabrication de CBP, généralement par thermo-consolidation d’un matelas fibreux.
2.2.1 L’extrusion
L’extrusion est un procédé de fabrication et de transformation de matières à l’état granulaire ou poudre en un profilé (Trotignon et al. 1996). Lors de l’extrusion, les fibres sont incorporées au thermoplastique fondu à l’aide d’un système de vis. À la sortie de l’extrudeuse, le mélange est extrudé sous forme d’un profilé. Le système se divise habituellement en trois zones : l’alimentation, la compression et le pompage. La zone d’alimentation permet la plastification du polymère. Ensuite, le matériau va être comprimé dans la deuxième zone. Cette étape assure un dégazage adéquat du fondu.
Enfin, le polymère est homogénéisé dans la zone de pompage. La sortie de l’extrudeuse
(filière) donnera la forme finale à l’extrudé. L’extrusion produit souvent une dégradation importante des fibres et engendre souvent des cassures.
2.2.2 L’injection
L’injection est un procédé semi-contenu dans lequel un polymère fondu est injecté d’abord, dans un moule tempéré et retenu sous pression. Puis, on le retire lorsqu’il est solidifié. En fait, une presse à injection peut être représentée comme un hybride entre une extrudeuse et une presse à compression. Comme l’extrusion, la résine est incorporée dans une trémie et plastifiée par une vis d’accumulation. À la différence de l’extrusion, la vis de la presse recule à mesure que s’effectue la plastification. Le polymère fondu et homogénéisé, s’entasse à l’avant de la vis dans la zone d’accumulation. Lorsqu’une quantité prédéterminée de polymère a été plastifiée, la vis agit comme un piston et injecte la résine à haute pression vers le moule tempéré. Avec ce procédé, on peut fabriquer une large variété de produits pour différentes applications. En particulier, les CBP fabriqués par injection ont l’avantage d’avoir des performances supérieures à ceux fabriqués par extrusion puisque les fibres de bois dans ce cas sont mieux orientées dans la matrice plastique (Beg. 2007 ; Starck et al., 2004). De plus, leur conception est simple et ils ont une excellente finition. Les procédés en semi continu et cyclique comprennent les étapes suivantes ( Zaddi , 2002) :
1. La matière sous forme de granulé est entrainée dans la vis (zone d’alimentation) ; 2. la matière est fondue sous la chaleur et le cisaillement (zone de compression) ;
3. la vis recule et véhicule du même coup la matière fondue vers l’avant (zone d’homogénéisation et de dosage);
4. la matière est injectée dans le moule fermé, la vis avance du même coup ; 5. la matière est refroidie dans le moule ;
6. le moule s’ouvre et l’objet est éjecté ;
7. le moule se referme pour permettre une nouvelle injection.
Le moulage par injection offre donc la possibilité de fabriquer des objets de formes plus complexes qu’en extrusion. Bien que l’injection soit plus lente, donc plus coûteuse, cette technologie demeure extrêmement compétitive vis-à-vis des autres méthodes de conception d’objets de formes plus complexes. Ce procédé génère des pressions
supérieures à l’intérieur du moule et diminue les propriétés anisotropies des produits injecté.
2.2.3 La thermo-consolidation
Il s’agit de la fabrication de composites à base de bois par compression d’un matelas de fibres, de copeaux ou particules liées par un adhésif. Une large variété de fibres de bois ou synthétiques peut être assemblée en un matelas aléatoire ou orienté (Michaud, 2003). Les produits fabriqués par cette technique ont de bonnes propriétés mécaniques permettant ainsi d’obtenir à la fois des matériaux rigides et légers.
Les composites bois/plastiques conçus par formation d’un matelas fibreux selon Bledzki et al (1998b) présentent des propriétés supérieures à celles du MDF. La comparaison des résultats du Tableau2-4 montrent que les composites formés par un matelas fibreux avec une quantité en bois 55%, présente approximativement des propriétés mécaniques similaires à celles du MDF, dû à la structure des fibres, mais toutefois très inférieure au bois naturel.
Les composites formés par thermo consolidation sont beaucoup moins étudiés et moins nombreux que les composites issus des techniques plasturgistes. L’étude de Youngquist souligne l’importance du rôle de la densité du matériau sur ses propriétés puisqu’il existe une importante corrélation entre ces deux paramètres. La formulation de 80% de bois avec 10% de polyéthylène et 10% de résine phénolique constitue la meilleure formulation de point de vue propriétés mécaniques. Dans ce cas, l’adhésion entre les fibres de bois et le thermoplastique augmente par l’ajout de la résine phénolique.
Tableau 2-4: Comparaison des propriétés mécaniques des CBP (Bledzki et al., 1998b)
Composites
Proportions EFlexion flexion Etraction traction
(%) (GPa) (MPA) (GPa) (MPa)
Bois /PP 55/45 2,3 41,2 2,6 21,4
Bois naturel (pin) 100 9,4 87,9 10,1 43,6
MDF (10% UF) 100 3,9 36,7 3,1 17
EFlexion : Module d’élasticité en flexion ; flexion : contrainte en flexion ; Etraction : module d’élasticité (en traction) ; traction : résistance en traction
2.3 Analyse des travaux sur les composites bois/polymères
Les panneaux de bois ont largement été développés durant ces dernières décennies, et, encore aujourd’hui, de nouveaux produits apparaissent. A partir de fibres (panneau MDF), de particules (panneau aggloméré), de plaquettes ou encore de placages complets, les panneaux sont sources de multiples avantages. Ils sont le moyen d’utiliser certains déchets de scierie, mais aussi le moyen de sélectionner du bois parfois sans défauts, afin d’obtenir un produit aux propriétés intéressantes et peu variables. Il est ainsi possible de palier à l’hétérogénéité du bois, souvent difficile à gérer. Au niveau durabilité, le panneau est également moins apprécié des pathogènes, mais pas entièrement protégé pour autant. Si les panneaux de bois paraissent plus durables que le bois massif à partir duquel ils sont composés, c’est dû à la présence de liants qui font que le bois n’est pas le seul composant d’un panneau. Il est également possible d’augmenter la durabilité durant la fabrication. En effet, plus un panneau est dense, meilleure est sa résistance face aux champignons. Cependant, selon cette même étude, cette densité ne semble pas avoir d’impact sur la perte de masse occasionnée par les termites.
2.3.1 Influence de l’espèce de bois
