Alternatives d'amélioration de la ductilité et la ténacité des composites bois-polypropylène

Abdelmoula, Khalil (2019). Alternatives d'amélioration de la ductilité et la ténacité des composites bois-polypropylène. (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1807

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Résumé

RÉSUMÉ

Le composite bois-polymère est un matériau de construction commun et est aussi utilisé dans diverses applications. Une ductilité élevée et une résistance aux chocs sont souvent deux propriétés requises simultanément pour les CBP. Toutefois, l’incorporation d’une haute teneur en fibres dans la matrice provoque la création des zones de concentrations des contraintes et la propagation des fissures. Une faible ténacité et ductilité impliquent que le composite ne peut pas être cloué ou vissé directement. L’objectif de cette étude a été d’améliorer la ductilité et la ténacité des composites bois-polypropylène. Pour ce faire, deux types de fibre ont été testés : fibre de bouleau blanc et fibre kraft et ont été utilisées à 30%, 40% et 50% en masse. Le polypropylène modifié à l’anhydre (MAPP) a été utilisé en 3% (en masse) en tant qu’agent de couplage. Un traitement des fibres par glycérol (une solution plastifiante) a été effectué pour améliorer le glissement entre la charge et la matrice. Une deuxième approche a été appliquée pour améliorer les comportements qui font partie du projet et se base sur l’incorporation d’un modificateur d’impact élastomère, Styrène- éthylène- butadiène- styrène modifié avec l’anhydride maléique (SEBS-MA). Les mélanges ont été produits moyennant l’extrusion suivie d’un moulage par injection. Les composites induits ont été caractérisés par des essais mécaniques (la traction, la flexion et la résistance à l’impact) et des essais thermiques (la thermogravimétrie et la calorimétrie à balayage différentiel). Les résultats obtenus ont montré que pour les diverses teneurs en fibre, les composites PP/fibre kraft se sont relevés plus ductiles et résilients. La déformation à la rupture des mélanges chargés par 30% de fibre kraft est plus élevée que celle à base des fibres de bouleau blanc avec un facteur multiplicatif de 2,38. De même pour la résistance aux chocs, l’incorporation des fibres kraft a abouti à des résistances de l’ordre de 5,63 kJ/m2 comparé à 4,5 kJ/m2 dans le cas des fibres de bouleau blanc. Cependant, les composites renforcés par des fibres de bouleau blanc sont plus rigides avec des modules d’Young variant entre 2,46 GPa et 3,8 GPa. La caractérisation des composites traités par le glycérol a montré une réduction dans les diverses performances mécaniques. La rigidité a diminué de 71% et 41% pour les mélanges à 40% et 50% de fibre en les comparants par ceux à base des fibres kraft non modifiées. Elle a décru de 2,15 GPa et 3,34 GPa à 1,26 GPa et 1,16 GPa pour les deux teneurs en fibres mentionnées suite à l’application du glycérol. La déformation a présenté la même tendance que la rigidité, l’application d’une faible force a entraîné une rupture brutale avec des faibles allongements à la rupture de l’ordre de 2,6%. L’étude au microscope électronique à balayage a confirmé une meilleure adhérence entre les particules de bois et la matrice de polypropylène lorsque le MAPP et le SEBS-MA ont été ajoutés aux formulations. La variation de la quantité du SEBS-MA de 10% à 20% a réduit le module d’Young de 2,32 GPa à 1,11 GPa pour des composites à 50% de fibre. L’addition du 10% d’élastomère a amélioré la déformation d’une manière significative allant jusqu’à 29% pour les composites à 30% de fibre kraft. La variation de la teneur du SEBS-MA à des valeurs plus grandes (20%) se manifeste par l’augmentation de l’aptitude des composites à se déformer et s’allonger, les mélanges à 30% de fibre kraft sont devenus plus ductiles et ils se déforment aux environs de 62%. Les énergies d'impact entaillées sont aussi améliorées présentant des facteurs multiplicatifs de 2,42 et 4,10 pour les composites à 30% de fibres kraft et modifiés par 10 et 20% d’élastomère, respectivement. La combinaison du traitement des fibres et l’addition du 20 % de SEBS-MA dans la même formulation permettent d’élaborer des composites ductiles avec un allongement à la rupture d’environ de 95% et une énergie d’impact égale à 28,72 kJ/m2 pour des composites à 30% de fibre kraft.

ABSTRACT

Wood-plastic composites (WPC) is common construction material and it is used in many other applications. High ductility and impact resistance are simultaneously required for WPC. However, the incorporation of a high fiber content in the matrix facilitates the fracture creation and crack propagation. In fact, low toughness and ductility may imply difficulties for the direct nailing or screwing. The main objective of this study was to improve the ductility and toughness of wood-polypropylene blends. Two categories of fiber were used and incorporated with increasing weight ratio (30%, 40% and 50%): white birch fiber and kraft fiber. Maleated polypropylene (MAPP) was used in the formulation in 3% (by weight) to enhance bonding between fiber and PP. Treatment of the fibers with glycerol (a plasticizing solution) was carried out to improve the slippage between the filler and the matrix. A second approach has been applied to improve the mentioned behaviors. It is based on the incorporation of Maleated styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS-MA). All components were mixed in extruder. After pelleting, the blends were molded with an injection-molding machine. The ensuing composites were characterized in terms of mechanical properties (tensile, bending and impact resistance) and thermal properties (thermogravimetry and differential scanning calorimetry). The obtained results showed that PP/kraft fiber composites were more ductile and resilient. The elongation at break of the blends loaded with 30% of kraft fiber was greater than that of the white birch fibers with a multiplying factor of 2.38. The same behavior was observed for impact strength. Composited with kraft fiber (30% by weight) present the important toughness compared to blends reinforced with the same weight ratio of birch fiber. It was in the range of 5.63 kJ/m2 and 4.5kJ/m2. However, composites reinforced with white birch fibers were more rigid with modulus of Young ranging from 2.46 GPa to 3.8 GPa. Composites with treated fibers have lower mechanical properties. The rigidity of these types of composites decreased by 71% and 41% for blends reinforced by 40% and 50% of fiber comparing to unmodified based-kraft fiber. It decreased from 2.15 GPa and 3.34 GPa to 1.26 GPa and 1.16 GPa for the two fiber loads mentioned following the application of glycerol. The deformation exhibited the same tendency as the stiffness: the application of a weak force resulted a sudden rupture with light elongations at break of the order of 2.6%. Scanning electron microscope observation confirmed a better adhesion between the wood particles and the polypropylene matrix when MAPP and SEBS-MA were added to the formulations. Variation of elastomer proportion from 10% to 20% reduced the modulus of Young from 2.32 GPa to 1.11 GPa for composites at 50% of fiber.Adding 10% of elastomer improved the deformation by 29% for composites with 30% kraft fiber content. The variation of the content of SEBS-MA at higher values (20%) is manifested by the increase in the ability of the composites to deform and lengthen, the 30% kraft fiber blends have become more ductile and they deform around 62%. Notched impact energies were also improved with multiplying factors of 2.42 and 4.10 for same composites, modified with 10 and 20% elastomer, respectively. The combination of fiber treatment and the addition of the 20% of SEBS-MA in the same formulation allows for the development of highly ductile composites with an elongation at break of about 95% and impact energy equal to 28,72 kJ /m2 for composites with 30% (by mass) of kraft fiber.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur ou directrice de recherche:	Godard, François
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Koubaa, Ahmed
Mots-clés libres:	fibre bouleau blanc, fibre kraft, modificateur d’impact, traitement glycérol, composites bois-polypropylène, propriétés mécaniques, white birch fiber, Kraft fiber, impact modifier, glycerol treatment, wood-polypropylene composites, mechanical properties
Divisions:	Génie > Maîtrise en génie des matériaux renouvelables
Date de dépôt:	11 mai 2026 18:25
Dernière modification:	11 mai 2026 18:25
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1807

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