Étude des effets de la variabilité de la fibre et de lamatrice sur les propriétés des composites bois polymère

Saddem, Mourad (2017). Étude des effets de la variabilité de la fibre et de lamatrice sur les propriétés des composites bois polymère. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/726

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Résumé

Nous avons étudié les effets de la variabilité de la fibre de bois et de la matrice thermoplastique sur les propriétés des composites bois—polymère (CBP). Dans le but d’optimiser les conditions de fabrication des CBP par extrusion nous avons procédé à des essais préliminaires par rhéomètre à torque. Nous avons varié l’essence du bois et la nature des fibres (bois et écorce), la proportion et la longueur de fibres. Également la matrice thermoplastique a été variée. L’augmentation de la proportion du bois et de la longueur de la fibre de bois conduisent à l’augmentation du temps de résidence et de l’énergie de mélange et de stabilisation. Les résultats démontrent que la variabilité des propriétés des fibres a un effet significatif sur les propriétés rhéologiques qui se présentent comme paramètres prépondérants pour ajuster les conditions des procédés de fabrication tels que l’extrusion et l’injection. Les propriétés rhéologiques varient aussi en fonction de l’essence, la nature des fibres et la matrice thermoplastique.
Pour étudier la variabilité des propriétés de la fibre du bois sur les propriétés physico-mécaniques des CBP, nous avons appliqué un traitement acide avec différentes sévérités (2heures, 4 heures et 6 heures) aux fibres de pin gris (Pinus banksiana). Une variante où les fibres de bois n’ont pas été traitées chimiquement est utilisée comme témoin. Les composites ont été fabriqués selon un procédé en deux étapes soit l’extrusion des granules à une teneur de 35% de fibres et une matrice HDPE suivi par l’injection des éprouvettes d’essais. Les composites produits ont été caractérisés par des essais mécaniques de traction et de flexion, des analyses thermogravimétriques (TGA), des analyses de calorimétrie différentielle à balayage (DSC), par des essais physiques incluant les essais d’absorption d’eau et d’angle de contact, des analyses de chimie de surface par spectroscopie infrarouge (FTIR) et de microstructure par microscopie électronique à balayage (MEB). La modification chimique des fibres a amélioré le module d’élasticité en traction, l’élongation à la force maximale et le module d’élasticité en flexion. Le module de rupture en flexion le plus élevé a été obtenu pour la formulation fabriquée avec des fibres traitées pendant 6 heures. L’amélioration des propriétés mécaniques est expliquée par une meilleure adhésion entre les fibres du bois et la matrice thermoplastique suite au traitement chimique. L’analyse FTIR démontre l’apparition de groupes acétyles (C = O) et la diminution des liaisons hydrogène entre la cellulose et l’hémicellulose. Au niveau des CBP fabriqués avec des fibres traitées chimiquement l’accentuation du pic à 1031 cm-1 relatif au groupe (C—O) confirme la meilleure interaction entre la fibre et la matrice. Le traitement acide des fibres de bois a conduit à la diminution de l’absorption d’eau et à l’augmentation de l’angle de contact dans les CBP. Ces résultats confirment une meilleure hydrophobicité des CBP avec des fibres traitées. La diminution de la polarité à la surface de la fibre du bois améliore leur compatibilité avec la matrice. Une meilleure mouillabilité des fibres par la matrice conduit à la diminution des microcavités internes des composites et à une surface plus uniforme qui conduisent à l’amélioration de leur stabilité dimensionnelle et de leur hydrophobicité. Ces résultats ont été confirmées par les observations MEB. L’analyse thermique par TGA et DSC n’a pas démontré de variations significatives des propriétés thermiques des CBP fabriqués avec des fibres traitées et non traitées.
Afin d’évaluer les effets de la variation de la matrice thermoplastique sur les propriétés des CBP nous avons utilisé des matrices PEHD, PP, (20% PP + 80 % HDPE) et (20% HDPE + 80% PP). Nous avons utilisé des fibres d’épinette noire (Picea marianaMill.) avec une longueur de fibres de 75-250 μm et une proportion de 35%. Les CBP contenant 100% PP et 80% PP ont montré le module d’élasticité en traction, l’énergie en traction, le module d’élasticité en flexion et le module de rupture en flexion les plus élevés. Ce résultat confirme les meilleures propriétés mécaniques du PP par rapport au PEHD. La formulation contenant 20% de PP a montré l’élongation à la force maximale la plus élevée. Cette meilleure ductilité est expliquée par la meilleure adhésion du PEHD avec les fibres du bois grâce à la présence du groupe méthyle CH3 spécifique au PP. L’analyse FTIR révèle que la formulation contenant 20% PP montre le pic 1031,96 cm-1 spécifique au groupe (C –O) le plus accentué qui confirme la meilleure compatibilité entre les fibres de bois et le PEHD présent à 80%. Dans cette formulation le PP s’est comporté comme liant entre le HDPE et les fibres de bois, l’amélioration de l’adhésion a été confirmée par microscopie électronique à balayage. La formulation contenant 20% PP a montré une meilleure stabilité dimensionnelle que la formulation à 100% PEHD et a montré le meilleur résultat pour le test d’angle de contact (77,94°) parmi les formulations de CBP. Ce résultat confirme une meilleure hydrophobicité et stabilité dimensionnelle pour cette formulation. Les propriétés thermiques ont été significativement affectées par la variation du polymère thermoplastique. Les résultats démontrent que les variantes de CBP contenant un mélange de polymères qu’on a simulé à du plastique recyclé assurent des propriétés physico-mécaniques relativement importantes pouvant répondre à plusieurs utilisations potentielles telles que l’emballage ou la décoration.
Nous avons estimé les effets du MAPE comme additif liant sur les propriétés des CBP. Les résultats du test d’impact démontrent un effet significatif du pourcentage de fibres. Pour toutes les formulations de CBP fabriquées, la plus faible proportion de bois a la plus grande énergie d’impact. Le test d’impact de l’échantillon fabriqué avec du PEHD pur a présenté l’énergie d’impact la plus élevée (2,75 kJ) avec une très faible déformation qui n’a pas conduit à la rupture de l’échantillon. Nous avons utilisé trois longueurs initiales de fibres (150 à 250μm, 250 à 425μm et 450 à 710 μm). La rigidité et la résistance à la force maximale augmentent avec l’augmentation de la taille des fibres. Pour toutes les formulations de CBP produites, les variantes contenant 3% de MAPE ont eu une plus faible absorption d’eau et une meilleure stabilité dimensionnelle ce qui s’explique par une meilleure adhésion entre la fibre et la matrice.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur de mémoire/thèse:	Koubaa, Ahmed
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Riedl, Bernard
Mots-clés libres:	fibre, bois, polymère, composites, rhéologie, propriétés physico-mécaniques.
Divisions:	Forêts > Doctorat en sciences de l'environnement
Date de dépôt:	18 sept. 2017 15:04
Dernière modification:	18 sept. 2017 15:04
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/726

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