résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles...les résultats démontrent que...

PRUNDU~ CÂLIN GEORGEL

RÉSINES ÉPOXYDES RENFORCÉES AVEC DES FIBRES NATURELLES

Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures de l'Université Laval

dans le cadre du programme de maîtrise en génie chimique pour l'obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.)

DÉP ARTEMENT DE GÉNIE CHIMIQUE FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE

UNIVERSITÉ LA V AL QUÉBEC

2009

©Prundu~ C~Hin Georgel, 2009

ReOlercieOlents

Je remercie tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à l'achèvement de ce

mémoire.

Je tiens à remercier plus p~rticulièrement le professeur Denis Rodrigue pour

m'avoir donné la chance de réaliser ce projet de maîtrise, pour ses directives et ses

conseils qui ont été d'une grande importance tout au cours du projet, ainsi que les

membres de son g~oupe de recherche pour leur aide et leur collaboration.

De plus, je remercie également les Départements de génie chimique et des

sciences du bois et de la forêt, ainsi que le centre de recherche CERSIM (CERMA) pour

l'utilisation de leurs installations sans lesquelles ce projet n'aurait pas vu le jour.

Je remercie les professeurs Carl Duchesne, Anh LeDuy, Alain Garnier et la

chimiste Rodica PIe su pour leur aide précieuse.

Et pour terminer, une pensée pour toute ma famille au sens large. Ils sont

nombreux et m'ont vraiment soutenu tout au long de ce travail. En particulier, merci à ma

femme, Maria Teodora, à ma fille, Ana Maria Smaranda et a mon fils Stefan George qui

m'ont soutenu au cours de cette maîtrise et m'ont aidé à faire de ce projet une réussite.

ii

Résumé

Dans ce travail, des résines époxydes et des fibres naturelles ont été utilisées afin

de produire des matériaux composites. En particulier, l'étude a porté s~r la fabrication et

la caractérisation de plusieurs types de résines époxydes et aussi sur plusieurs types de

fibres naturelles en utilisant des amines comme agent de réticulation (durcisseur). Les

échantillons ont été caractérisés en termes de densité, morphologie et propriétés

mécaniques (tension, flexion et torsion).

Les résultats démontrent que l'utilisation de fibres naturelles conduit à une

augmentation considérable des propriétés mécaniques des résines époxydes. Dans notre

cas, les meilleurs résultats ont été obtenus avec des fibres de bois (bouleau jaune). Les

fibres naturelles sont intéressantes par leur caractère recyclable, écologique, renouvelable

et biodégradable.

iii

iv

Table des matières

Remerciements ................................................................................. ii

Résumé ............................................................................................................................. iii

Table des matières ..................................................................................................... iv

Liste des Figures ......................................................................................................... ix

Liste des Tableaux .... ................................................................................................. xv

Nomenclature ............................................................................................................... xvii

Chapitre 1

Introduction ...................................................................................................................... 1

1.1 Généralités ................................................................................................................... ... 1

1.2 Les résines époxydes ...................................................................................................... 6

1.2.1 Historique ...................................................................................................................... 7

1.2.2 Processus de polymérisation ......................................................................................... 1 0

1.3 Les fibres de renfort pour les composites .................................................................... 22

1.3.1 Introduction ................................................................................................................... 22

1.3.2 us fibres de bois .......................................................................................................... 25

1.3.3 us fibres de chanvre .................................................................................................... 27

1.3.4 us fibres de lin ............................................................................................................. 28

1.3.5 us fibres de sisal .......................................................................................................... 31

v

1.3.6 Avantages, désavantages et applications des fibres naturelles ..................................... 31

1.4 Objectifs du travail ......... ...... ......................................................................................... 35

Chapitre 2

Revue de la littérature ....... .................................................... ........................................ 37

2.1 Résines époxydes renforcées avec des nanoparticules ........................................ ........ 37

2.2 Résines époxydes renforcées avec des fibres de verre ....................................... .. ....... 38

2.3 Résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles ............... ........................... .... 39

2.4 Conclusion partielle ...................................................................................................... . 49

Chapitre 3

Matériaux et Méthodes Expérimentales ................................................................. 51

3.1 Description des matériaux ............................... .......... ..................................................... 52

3.1.1 Résines .............................................................. ............................................................ 52

3.1.2 Durcisseurs .................... ............... ................................................................................. 52

3.1.3 Fibres naturelles ............................................................................................... ............. 53

3.1.4 Autres produits .................. ............................................................................................ 54

3.2 Procédure expérimentale ............................... ..... ........................................................... 55

3.2.1 Fabrication des échantillons .............. ............................................................................ 55

3.2.2 Découpage des échantillons .......................................................................................... 56

3.2.3-Densité ............................................................ .............................................................. 57

3.2.4 Morphologie .................................................... ............................................................... 58

vi

3.2.5 Tests mécaniques .......................................................................................................... 59

3.2.5.1 Tests en flexion .......................................................................................................... 59

3.2.5.2 Tests en torsion .......................................................................................................... 62

3.2.5.3 Tests en traction ......................................................................................................... 65

Chapitre 4

Résultats et Discussion .................................................................................................. 68

4.1 Analyse morphologique ................................................................................................. 69

4.1.1 Taille des fibres ............................................................................................................. 70

4.1.2 Densité .......................................................................................................................... 74

4.2 Tests mécaniques (fibres de 300-600 J.1m) .................................................................... 77

4.2.1 Tests en flexion ............................................................................................................. 77

4.2.2 Tests en torsion ............................................................................................................. 82

4.2.3 Tests en traction ............................................................................................................ 87

4.3 Tests mécaniques (fibres de 125-300 J.1m) .................................................................... 95

4.3.1 Tests en flexion ............................................................................................................. 95

4.3.2 Tests en torsion ............................................................................................................. 97

4.3.3 Tests en traction ............................................................................................................ 99

Chapitre 5

Conclusions et Recommandations ............................................................................ 105

5.1 Morphologie .................................................................................................................... 106

vii

5.2 Module en flexion ........................................................................................................... 106

5.3 Module en torsion .......................................................................................................... 1 07

5.4 Module en traction ......................................................................................................... 1 08

5.5 Recommandations .......................................................................................................... 108

Bibliographie ................................................................................................................ 110

Annexe

Annexe A

Epon 828 ................................................................................................................................ 114

Annexe B

BE 188 .................................................................................................................................... 116

Annexe C

Anquamine 401 ...................................................................................................................... 117

Annexe D

Anquamine 701 ...................................................................................................................... 118

Annexe E

Epodil 748 ............... : .............................................................................................................. 119

Annexe F

Alcool benzylique .................................................................................................................. 120

Annexe G

Alkasurf C0720 ..................................................................................................................... 121

viii

AnnexeH

Hi-Sil T700 ............................................................................................................................ 122

Liste des Figures

Figure 1.1 Principales applications des polymères époxydes ............................................... 3

Figure 1.2 L'épichlorhydrine du glycol. ............................................................................... 7

Figure 1.3 Le groupe époxyde .............................................................................................. 7

Figure 1.4 Bisphénol ............................................................................................................. 8

Figure 1.5 Schéma du processus de polymérisation entre un époxy bi-fonctionnel et

un durcisseur tétra-fonctionnel ..................................................................................... 11

Figure 1.6 Modifications irréversibles de la structure d'une résine thermodurcissable

par réticulation. (a) monomères, (b) plusieurs agrégats moléculaires se sont

formés, Cc) la limite de percolation et (d) le réseau complètement réticulé ................. 12

Figure 1.7 Les diagrammes d'état Temps-Température-Transformation (TTT) .................. 14

Figure 1.8 Le groupe époxyde .............................................................................................. 16

Figure 1.9 Le groupe glycidyléther ....................................................................................... 16

Figure 1.10 Le glycidyl éther du bisphénol-A ...................................................................... 16

Figure 1.11 Mécanismes pour les réactions époxyde-amine. (a) la réaction entre

l'amine primaire et l'époxyde, (b) la réaction entre l'amine secondaire et

l'époxyde, (c) la réaction entre un alcool et l'époxyde ................................................ 19

Figure 1.12 Équations de dissociation des diamines, (1) en milieux aqueux et (2) en

milieux organiques ....................................................................................................... 20

Figure 1.13 Performances des résines lesplus utilisées dans l'industrie .............................. 22

Figure 1.14 Classification des différents types de fibres naturelles ...................................... 24

Figure 1.15 Structure du bois (observations multi-échelles) ................................................ 26

ix

x

Figure 1.16 Coupe transversale de tige de chanvre .............................................................. 28

Figure 1.17 Faisceau de fibres de chanvre en coupe transversale par microscopie

électronique à transmission .......................................................................................... 28

Figure 1.18 Trois étapes différentes de la tige de lin (12 jours, 50 jours et 98 jours) en

coupes transversales ..................................................................................................... 30

Figure 1.19 Faisceau de fibres dans une tige de lin, coupe transversale par

microscopie électronique à transmission ...................................................................... 30

Figure 2.1 , Module en flexion (gauche) et la résistance à la flexion (droite) des

époxydes nanocomposites en fonction de leur contenu en nanoparticules .................. 38

Figure 2.2 Amortissement spécifique en fonction de la charge maximale pour le lin et

le jute pour des conditions de 104 cycles de charge / niveau de charge ....................... 41

Figure 2.3 Effet de la concentration en fibres de lin sur la résistance à la traction .............. 45

Figure 2.4 Contraintes en traction pour les résines époxydes renforcées avec des

fibres de sisal de longueurs différentes ......................................................................... 48

Figure 2.5 Module d'élasticité en fonction de la concentration de fibres de sisal. ............... 49

Figure 3.1 Distribution de la taille des particules pour les .fibres longues (300-600

~m) ............................................................................................................................... 53

Figure 3.2 Distribution de la taille des particules pour les fibres courtes (125-300

~m) .......................................................................................................... : .................... 54

Figure 3.3 Dimensions des échantillons pour les tests de torsion et de flexion .................... 56

Figure 3.4 Dimensions des échantillons pour les tests de traction ........................................ 57

Figure 3.5 Microscope électronique à balayage (Scanning Electron Microscope) ............... 59

Figure 3.6 Instron modèle 5565 au laboratoire du Département de chimie ..... 'o •••••••••••••••••••• 60

Figure 3.7 Géométrie à trois points de contact pour les tests en flexion .......... ~ ................... 61

Figure 3.8 Courbe typique de force en fonction de la déformation pour un test de

flexion ....................................................... ~ ................................................................... 62

Figure 3.9 Rhéomètre ARES pour les tests de torsion rectangulaire au laboratoire de

génie chimique .............................................................................................................. 63

Figure 3.10 Dispositif de fixation pour les échantillons en torsion rectangulaire ................ 64

Figure 3.11 Résultats typiques d'un balayage en déformation pour un test en torsion ........ 65

Figure 3.12 Dispositif de fixation pour les échantillons en traction ..................................... 66

Figure 3.13 Courbe typique de contrainte-déformation pour des tests en tension ................ 67

Figure 4.1 Photos de résines époxydes renforcées avec 10% de fibres de bois (T 1.1),

sisal (T3.1), lin (T6.1) et chanvre (T7.1) de 300-600 ~m avec un grossissement

de 200X ......................................................................................................................... 71 ·



de 1000X ...................................................................................................................... 71


sisa 1 (T3.3), lin (T6.3) et chanvre (T7.3) de 300-600 ~m avec un grossissement

de 200X ........................................................................................................................ 72

Figure 4.4 Photos de résines époxydes renforcées avec 30% de fibres de bois (T1.3),


de 1000X ....................................................................................................................... 72

Figure 4.5 Photos de résines époxydes renforcées avec 10% de fibres de bois (T Il.1),

sisal (T14.1), lin (T3.1) et chanvre (T12.1) de 125-300 ~m avec un

grossissement de 200X .................................................................................................. 73


sisal (T14.1), lin (T3.1) et chanvre (T12.1) de 125-300 ~m avec un

grossissement de 1000X ................................................................................................ 73

xi

xii

Figure 4.7 Courbes typiques de la force en fonction de la déformation pour un test en

flexion (30% de fibres) ................................................................................................. 78

Figure 4.8 Module de flexion en fonction de la concentration en fibres naturelles

(300-600 ~m) ................................................................................................................ 79

Figure 4.9 Pourcentage de variation du module en flexion en fonction de la

concentration en fibres naturelles (300-600 ~m) ................ ~ ........................................ 80


concentration en fibres de bois (300-600 ~m) ............ .. ......... ....... ................................ 81

Figure 4.11 Module en torsion en fonction de la fréquence ................................................ 83

Figure 4.12 ' Module en torsion en fonction de la concentration de fibres naturelles

(300-600 ~m) ................................................................................................................ 84

Figure 4.13 Pourcentage de variation du module en torsion en fonction de la

concentration de fibres naturelles (300-600 ~m) ......................................................... 85


concentration en fibres de bois (300-600 ~m) .............................................................. 86

Figure 4.15 Courbes de contrainte-déformation pour des tests en traction .......................... 87

Figure 4.16 Module en . traction en fonction de la concentration en fibres naturelles

(300-600 ~m) ................................................................................................................ 88

Figure 4.17 Pourcentage . de variation du module en traction en fonction de la

concentration en fibres naturelles (300-600 ~m) ......................................................... 89

Figure 4.18 Pourcentage de variation du module en traction en fonction de la

concentration en fibres de bois (300-600 ~m) .............................................................. 91

Figure 4.19 Contrainte maximale en traction pour les résines époxydes renforcées

avec des fibres naturelle (300-600 ~m) ........................................................................ 92

xiii

Figure 4.20 Déformation à la contrainte maximale en traction pour pour les résines

époxydes renforcées avec des fibres naturelle (300-600 ~m) ...................................... 92

Figure 4.21 Contrainte à la rupture en traction pour les résines époxydes renforcées

avec des fibres naturelle (300-600 ~m) .............. .......................................................... 93

Figure 4.22 Déformation à la rupture en traction pour les résines époxydes renforcées

avec· des fibres naturelle (300-600 ~m) .............. .......................................................... 94

Figure 4.23 Les modules en flexion en fonction de la concentration en fibres

naturelles (125-300 ~m) .......................................... ..................................................... 96


concentration en fibres naturelles (125-300 ~m) ............................................ · ............. 97

Figure 4.25 Module en torsion en fonction de la concentration en fibres naturelles

(125-300 ~m) ................................................................................................................. 98



Figure 4.27 Module en traction en fonction de la concentration en fibres naturelles

(125-300 ~m) ................................................................................................................ 100



Figure 4.29 Contrainte maximale en traction pour les résines époxydes renforcées

avec des fibres naturelle (125-300 ~m) ............. ........................................................... 102


époxydes renforcées avec des fibres naturelle (125-300 ~m) ...................................... 102

Figure 4.31 Contrainte à la rupture en traction pour les résines époxydes renforcées

avec des fibres naturelles (125-300 ~m) ...................................................................... 103

xiv

Figure 4.32 Déformation à la rupture .en traction pour les résines époxydes renforcées

avec des fibres naturelles (125-300 !lm) ...................................................................... 104

Liste des Tableaux

Tableau 1.1 Quantité de fibres naturelles utilisées dans l'industrie automobile en

Allemagne de 1999 à 2005 ........................................................................................... 5

Tableau 1.2 Nom commercial pour quelques résines à base de diglycidyléther du

bisphénol A en fonction de la valeur de n .................................................................... 17

Tableau 1.3 Quelques agents réticulant pour les résines époxydes ..................................... 18

Tableau 1.4 Quelques caractéristiques principales de résines .............................................. 21

Tableau 1.5 Caractéristiques des fibres naturelles ............................................................... 27

Tableau 1.6 Comparaison entre les avantages et les désavantages d'utiliser des fibres

naturelles ............ ...................... ...................................................................................... 33

Tableau 2.1 Ré~u1tats expérimentaux obtenus en environnement contrôlé à différents'

taux d'humidité relative (0, 60 et 96% RH) à 60°C de l'essai de traction

uniaxiale réalisé dans le sens chaîne et trame .............................................................. 39

Tableau. 2.2 Effet du traitement chimique sur les propriétés en traction pour les tissus

de Hildegardia populifolia en renfort pour les résines époxydes ................................. 42

Tableau 2.3 Résistance à la traction et à la flexion de composites renforcés avec des

fibres de noix de coco ................................................................................................... 42

Tableau 2.4 Composition de résines pures et renforcées avec cellulose .............................. 44

Tableau 2.5 Propriétés mécaniques des résines pures et renforcées avec de la

cellulose ........................................................................................................................ 45

Tableau 2.6 Effet du traitement chimique sur les propriétés en traction des résines

époxydes renforcées avec fibres de lin ......................................................................... 46

Tableau 2.7 Propriétés mécaniques des fibres de sisal et de lin en comparaison avec

les fibres de verre .......................................................................................................... 47

xv

xvi

Tableau 2.8 Propriétés mécaniques de l'époxyde vierge et renforcé avec différentes

concentrations de fibres de sisal ................................. u •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 48

Tableau 3.1 Plan expérimental .............................................................................................. 51

Tableau 4.1 Les principaux tests réalisés pour les fibres de 300 - 600 ~m ......................... 68

Tableau 4.2 L~s principaux tests réalisés pour les fibres de 125 - 300 ~m ......................... 69

Tableau 4.3 Densités obtenues pour les différents échantillons en fonction de la

concentration, de la taille et du type de fibre ................................................................ 75

N oOlenclature

A Longueur de l'échantillon.

Al20 3 L'oxyde d'aluminium.

ASTM D638 Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.

ASTM D790 Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and

Reinforced Plastics.

B

BE 188

C

DDS

DE TA

DGEBA

Dicy

E

EDA

ENR

EPON828

EVA

Largeur de l'échantillon.

Diglycidyl éther du bisphénol A.

Épaisseur de l'échantillon.

Diaminodiphénylsulfone.

Diéthylènetriamine.

Dyglycidyléther du bisphénol A.

Dicyandiamide.

Module d'élasticité.

Éthylènediamine~

Epoxidised natural rubber.

Diglycidyl éther du bisphénol A.

Copolymère d'acétate de vinyle / éthylène.

Module en flexion.

Module d'élasticité.

xvii

xviii

Em Module de la matrice.

Et Module d'élasticité.

G Module de cisaillement (torsion).

G' Module de torsion élastique.

G" Module de torsion visqueux.

G* Module de torsion complexe.

GIC Résistance à l'impact.

gel Tg Température où la vitrification et la gélation coïncident.

HDPE Polyéthylène haute densité.

HHP A Anhydride hexahydrophtalique.

HMDA Hexaméthylènediamine.

HO· Groupement hydroxyle.

K, Kt, ..... K7 Constantes de vitesse pour les réactions directes.

K', K' t, ..... K' 7 Constantes de vitesse pour les réactions inverses.

KIC Résistance à la rupture.

L Distance entre les supports.

m Pente initiale des courbes force-déformation.

M Masse de l'échantillon . .

MDA Méthylènedianiline.

mPDA II).-phénylènediamine.

MTHPA Anhydride tétrahydrophtalique.

NaOH

NR

o

pH

PHI

PLA

PMDA

PP

PU

RCF

RCF 135

RCF440

RCF 440-0

RCF 440-p

RH

L'hydroxyde de sodium.

Fibres traitées avec latex.

Nombre de molécules de monomères incorporées dans une

molécule de polymère.

Potentiel hydrogène qui mesure l'acidité ou la basicité d'une

solution.

Phényl isocyanate.

L'acide polylactique.

Dianhydride pyromellitique.

Polypropylène.

Polyuréthane.

L'époxyde renforcé avec la cellulose recyclée.

L'époxyde renforcé avec la cellulose recyclée de densité surfacique

0,135 kg/m2•


0,440 kg/m2•


0,440 kg/m2 et feuille normale.

L'époxyde renforcée avec la cellulose recyclée de densité

surfacique 0,440 kg/m2 et feuille parallèle.

Humidité relative.

L'amine primaire.

L'amine secondaire.

xix

RTM

SEBS

SDC

SBS

S28

S35

S46

TETA

TGMDA

Moulage par injection de résine à basse pression.

Styrène éthylène butadiène styrène.

Le déficit d'énergie/l'énergie de pression.

Styrène butadiène styrène.

Résine époxyde renforcé~ avec 28% de fibres de sisal.

Résine époxyde renforcée avec 35% de fibres de sisal.

Résine époxyde renforcée avec 46% de fibres de sisal.

Triéthylènetétramine.

Tétraglycidylméthylènedianiline

TGMDA/DDS Tétraglycidylméthylènedianiline / 4, 4' -diaminodiphényl sulfone.

Tg

TgO

Tgoo

Tmax

TTT

UV

WCA

WOCA

Température de transition vitreuse.

Température de transition vitreuse des matériaux non réagis (a=O).

Température de transition vitreuse de l'adhésif complètement réagi

(a=l).

Dioxyde de titane.

Température maximale.

Les diagrammes d'état Temps-Température-Transformation.

Rayonnement ultraviolet.

Agent de couplage.

Sans agent de couplage.

xx

Symboles grecs

Erup

<D

<De

P

Pm

v

Coefficient de dilatation thermique.

Épaisseur totale de l'échantillon.

Déformation maximale en traction.

Déformation à rupture en traction.

Déformation longitudinale de rupture.

Volume des· agrégats.

Valeur critique pour la réticulation (point de percolation).

Masse volumique d'un échantillon.

Masse volumique de la résine.

Résistance à la flexion.

Résistance aux chocs (impact).

Contrainte maximale en traction.

Contrainte à rupture en traction.

Contrainte axiale à la rupture.

Coefficient de Poisson.

xxi

1.1 Généralités

Chapitre 1

Introduction

1

TI n'y a rien de plus naturel que d'utiliser des matières renouyelables, surtout dans

un secteur qui s'est développé grâce à des produits de synthèse de plus en plus élaborés.

Pourtant, l'industrie des composites se prépare à l'«après pétrole» et envisage de fabriquer

des matériaux, dont tous les composants, fibres, matrice polymère et additifs, seront

d'origines renouvelables. Un objectif ambitieux, mais qui n'est plus considéré comme

utopique.

Hausse de l'énergie et réchauffement climatique aidant, ils suscitent des

recherches dans les laboratoires et chez les industriels. En fait, tout en lançant des études

sur les futurs «biocomposites», les spécialistes du secteur continuent à travailler sur une

première étape: l'introduction des fibres naturelles dans des polymères de synthèse,

source de multiples difficultés qui ne sont pas entièrement résolues.

L'introduction de fibres végétales dans une matrice en polymère de synthèse

demande aux spécialistes des composites de trouver de nouvelles solutions techniques.

1) En modifiant la géométrie des outils de compoundage pour qu'ils ne

détériorent pas les fibres, il est possible de disperser les fibres les plus fragiles dans le

polymère.

2) En intégrant au procédé un traitement thermomécanique, des additifs de

couplage, des traitements chimiques ou un greffage des fibres, on assure l'adhésion fibres

matrice, alors que les deux matières sont peu compatibles.

3) Le traitement thermique réduit la tendance des fibres à absorber de

l'humidité.

4) En choisissant un polymère transformable à basse température, et en

adaptant les procédés de compoundage et de mise en forme pour tenir compte de

l'instabilité thermique des fibres au-delà de 200oe.

2

Aujourd'hui, le coût à l'achat des résines époxydes étant de plus en plus élevé, il

devient intéressant de substituer un pourcentage de la résine avec des fibres naturelles.

Nous obtenons alors un double effet positif, un économique et un écologique.

Le sujet de cette recherche porte sur la caractérisation de l'effet du renforcement

des résines époxydes avec des fibres naturelles (bois, sisal, chanvre et lin). Le but de

notre étude sera de quantifier l'effet du renforcement des fibres naturelles sur les

propriétés mécaniques des résines époxydes. On cherche donc à produire un matériau

plus léger et moins coûteux que le polymère original tout en ayant de bonnes propriétés

mécaniques.

Les matériaux composites à base de fibres se sont surtout développés pendant le

vingtième siècle, grâce à la création des résines et des fibres synthétiques. En plus des

composites naturels comme le bois, les hommes ont depuis l'Antiquité élaboré un grand

nombre de matériaux ou de structures composites. Les origines des composites avancées

datent toutefois des ' années 1930 [1]. Les premières résines et fibres synthétiques ayant

été développées au cours de cette décennie.

Les polymères sont des matériaux légers et peuvent être employés en solution ou

fondus pour imprégner des fibres à des températures et des pression's plus faibles que

celles nécessaires à d'autres matériaux tels que les métaux. De plus, les résines résistent

mieux à la plupart des milieux corrosifs. Le faible module mécanique des polymères

facilite le transfert de charge aux fibres et permet ainsi l'exploitation des propriétés

mécaniques de ces dernières. Parmi les inconvénients, notons que les polymères ne

possèdent pas de propriétés à haute performance, rendant ainsi les composites

unidirectionnels très anisotropes. Ainsi, l'absorption d'eau par les fibres peut nuire aux

performances des composites. L'hydrolyse de la résine peut aussi entrainer la destruction

des interfaces fibre-matrice.

Les polymères époxyde peuvent être utilisés sous forme de vernis, mais aussi de

peintures, en ajoutant des colorants ou des pigments. De plus, leurs propriétés physiques,

mécaniques ou chimiques bien définies peuvent être obtenues par l'adjonction de

charges, notamment de silice, de quartz, de graphite, de fibres naturelles ou de poudre

métallique. Enfin, les durcisseurs servant à la polymérisation des prépolymères époxydes

3

sont d'une grande importance. Ce sont eux qui déterminent comment et dans quelle

application le produit fini sera le mieux utilisé.

Les domaines d'application des époxydes sont nombreux et la Figure 1.1 en

présente les plus importants.

TrêfiSpO rts 8%

Electrictté et électronique

24%

Construction et bâtiment

ADplications . sfri.Jcturell es

11%

18%

Autres 4%

BOÎtes de conserves et rOts

11 %

Applications maritimes 8%

Figure 1.1 Principales applications des polymères époxydes [2].

Depuis leur première synthèse dans les années 50, les époxydes sont devenus l'un

des grands succès de l'industrie des matières plastique. Ils sont d'application universelle

grâce à leur polyvalence et à leur facilité d'utilisation. Les époxydes sont adaptés tant aux

articles ménagers qu'aux grands travaux de construction, tant aux ordinateurs qu'aux

satellites, tant aux boîtes de boisson qu'aux cloisons des navires. Environ 830 000 tonnes

d'époxydes sont produites dans le monde chaque année [3].

Les résines époxydes sont souvent employées pour les composites à haute

performance car leur retrait est nettement inférieur à celui des polyesters. De plus, leur

adhérence, leur résistance mécanique et leur résistance chimique sont élevées.

Les matériaux composites à matrice organique sont présents dans de nombreux

secteurs industriels: transport, nautisme, électronique, bâtiment, sports et loisirs, etc. Ils

4

bénéficient d'une croissance rapide et régulière due à la diversité de leurs propriétés et de

leurs procédés de transformation. Ces matériaux apportent de nombreux avantages

fonctionnels tels que la légèreté, la résistance mécanique et chimique, la liberté de formes

et un entretien réduit. Leur développement est notamment alimenté par la diversité et

l'innovation des systèmes de renforts qui présentent une gamme de propriétés de plus en

plus étendue grâce à l'utilisation de matériaux atypiques et le développement de

nouvelles structures.

Les fibres naturelles telles que le lin, le coton, le chanvre ou le sisal sont de plus

en plus utilisées comme fibres de renfort dans les composites. C'est principalement dans

le secteur automobile, où le souci de dégager une image plus écologique et de réaliser des

économies de poids a abouti à une utilisation croissante des fibres naturelles. Aux États

Unis, la plage arrière de la Chevrolet Impala est fabriquée à partir d'un « non-tissé» de

fibres composé à 50% de polypropylène (PP) et à 50% de lin [4]. Dans ce cas, les fibres

de lin sont traitées mécaniquement avant d'être mêlées aux fibres de PP. Le mat de fibres

qui en résulte est ensuite transformé en un produit fini en une seule étape de compression.

Les constructeurs français recourent également aux fibres naturelles avec

notamment des applications dans la tablette arrière de la Mégane, les panneaux de portes

de la 406 et l'habillage du coffre de la Xantia. La plupart de ces produits sont réalisés par

thermoformage de semi-produits composés de fibres de PP et de mat de fibres naturelles

(lin, chanvre, jute) ou par compression de résines phénoliques ou de polyuréthanne avec

un mat de fibres naturelles [4]. Le Tableau 1.1 montre l'utilisation croissante des fibres

naturelles dans l'industrie automobile en Allemagne [5]. De 1999 à 2005, l'utilisation des

fibres naturelles a connu une augmentation de 100% en six ans.

5

Tableau 1.1 Quantité de fibres naturelles utilisées dans l'industrie automobile en

Allemagne de 1999 à 2005 [5].

Chon 1: n()~a-lnSlinlt Nov. 006

Use of Maturai Fibres' for Composites in the German

20.000

18.000

16.000

"" 14.00() ~

... 12.000

i 10.000

! 6.000

6.000

04.000

2.000

Aulomotive Industry 1999-2005 .

11.001

o +------~~-----~----------~----------~-----~----------~-----~~

Total 9.6lJO 12.200 15 .. 100 1'.200 lB.OOO 18.500 19.000 DE)(otkFi:J~ 1 .~8 1.279 2.618 2.695 ~ ,,995 5.000 5.00D • Herm 312 L.3SO 913 Z.416 2.0iZ 1.500 1.800

fIIl( 7.680 9.571 l t.~69 U.89D 1D.99J 12.000 12.200

.. wfthout wood aad CDtton

Les fibres naturelles sont également présentes dans d'autres secteurs d'activité. La

société allemande de transducteurs et de systèmes acoustiques, Emwe, a mis au point des

capots pour haut-parleurs de basses en matériaux composites renforcés de fibres végétales

[4]. Après des mesures comparatives avec d'autres matériaux comme le bois ou

l'aluminium, il est apparu que ces capots offraient des qualités isolantes excellentes et un

amortissement des sons supérieurs aux autres matériaux.

Grâce à son expérience dans le travail et la préparation des fibres naturelles telles

que le lin, le sisal, le jute et le chanvre, la société Laroche en France a développé un

nouveau procédé pour la production de fibres de chanvre destinées principalement à

l'industrie des non-tissés [4]. Ce nouveau procédé continu, dit de « balle à balle »,

transforme la paille rouie en fibres propres et affinées. La ligne de traitement est capable

de traiter jusqu'à 2 tonnes/heure de paille de chanvre avec un rendement en fibres de 25 à

30% ou plus, selon la qualité de la matière première et son degré de rouissage.

6

Les fibres végétales pourraient constituer une alternative intéressante aux fibres de

verre en raison notamment de leur légèreté et de leur faible impact environnemental [6].

Les fibres de lin ou de chanvre sont, avec leur densité proche de 1,5 g/cm3, plus légères

d'environ 40% que les fibres de verre (2,5 g/cm3). Elles présentent, d'autre part, des

propriétés mécaniques pouvant atteindre celles du verre en termes de résistance à la

traction et de résilience. De plus, leur fabrication nécessite jusqu'à 80% moins d'énergie

que les fibres de verre.

Les fibres végétales présentent cependant encore plusieurs verrous techniques qui

limitent leurs applications. Ces fibres sont sensibles à la température, à l'absorption

d'humidité et se dégradent avant 300°C, ce qui est proche de la température de

transformation du polypropylène ·(190 à 250°C). TI existe également un risque de

dégagement d'odeur et d'humidité lors de leur vieillissement. Néanmoins, des

développements sont en cours pour limiter ces inconvénients.

1.2 Les résines époxydes

TI existe de nombreuses familles d'adhésifs: à base d'élastomères tel que Je

néoprène, les élastomères thermoplastiques tels que le SBS et le SEBS, les adhésifs

thermofusibles tels que l'EVA ou les polyamides, les thermodurcissables tels que les

résines époxydes, etc. Mais pour remplir le rôle qui leur est demandé, à savoir joindre

dans des conditions parfois sévères des substrats supportant d'importantes charges, les

adhésifs structuraux se doivent d'être eux même mécaniquement résistants. Cette

contrainte · fait que la plupart des adhésifs structuraux possède une structure

tridimensionnelle: il s'agit de produits réticulés.

Dans la pratique, la majorité des adhésifs structuraux sont composés . de résines

époxydes. L'EPON 828 et BE 188, utilisé au cours de notre étude, appartiennent à la

famille des polymères thermodurcissables et plus exactement à la sous-famille des

adhésifs structuraux de type époxyde. Les thermodurcissables sont constitués d'un

enchaînement covalent tridimensionnel de motifs moléculaires répétitifs. Sous l'action de

la température, ils conservent un comportement solide, les chaînes macromoléculaires

7

étant reliées entre elles par des liens de réticulation. À température plus élevée, ils se

dégradent sans fondre.

Les résines époxydes présentent généralement un bon comportement mécanique

en traction, compression et flexion. Classiquement, elles possèdent en traction une

contrainte à rupture, Or ~ 60 à 80 MPa, déformation à rupture, Er ~ 2 à 5%, module de

Young, E ~ 3 à 5 GPa, module de Poisson, v ~ 0,5, densité, p ~ 1,1 à 1,5. g/cm3 [7]. De

plus, elles possèdent une tenue thermique satisfaisante jusqu'à des températures

relativement élevées (de 100 à 180°C), de bonnes propriétés physiques (notamment en

environnement humide) et une grande inertie chimique.

Les principaux inconvénients sont leur ténacité limitée et leur ductilité faible.

1.2.1 Historique [2]

• 1854: Berthelot et Luca découvrent en partant de la glycérine, un liquide à odeur de

chloroforme qui est l'épichlorhydrine du glycol comme dans la Figure 1.2.

Figure 1.2 L'épichlorhydrine (1-chloro-2,3-époxypropane) .

• 1860: Wurtz étudie le groupe époxyde (Figure 1.3).

Figure 1.3 Le groupe époxyde.

8

• 1891: Dianin obtient du bisphénol à partir de phénol et d'acétone (Figure 1.4).

CH3

1

HO C OH

1

CH3

Figure 1.4 Bisphénol.

• 1905: Weinschenk détermine que la réaction entre l 'épichlorhydrine et l'anhydride

phtalique donne une masse résineuse.

• 1909: Le chimiste russe Prileschajew découvre que les oléfines réagissaient avec

l'acide perbenzoïque pour donner une fonction époxy.

• 1932: À Zurich, Detrey cherche à remplacer le caoutchouc vulcanisé de prothèses

dentaires par des matières synthétiques.

• 1934: Fairbourne, Gibson et Stephen étudient la réaction de l' épichlorhydrine avec le

phénol. Schalack et I.G. Farben cherchant à améliorer la teinture de la soie en faisant

réagir des dérivés époxydes avec des polyamides. La réaction peut conduire à des colles

et à des masses plastiques.

• 1934-1938: Le suisse Pierre Castan, qui travaille pour les frères de Trey, met au point et

brevète les premières résines époxydes obtenues par réaction du bisphénol et de

l'épichlorhydrine. La résine est durcie avec de l'anhydride phtalique ou des amines.

Application: exclusivement le moulage de prothèse dentaire.

• 1940: L'américain Sylvain Grenelée, chimiste de la société de peinture Devoe et

Reynolds, combine le . bisphénol et l' épichlorhydrine pour obtenir des alcools à haut

poids moléculaire.

9

• 1941: Shell produit industriellement l' épichlorhydrine à partir du propylène. Elle

s'associe à Devoe et Reynolds pour la mise au point de peintures très résistantes à la

corrosion et applicables sous l'eau.

• 1946: La société suisse Ciba, qui a acheté la licence des brevets Castan, présente à la

foire de Bâle, les premiers échantillons d'un adhésif puissant pour tous matériaux,

l'araldite.

• 1950: La production industrielle débute pour répondre à une demande croissante de

revêtements performants. Les applications des époxydes se développent dans les

adhésifs, peintures pour bateaux, installations portuaires, pipe-lines, raffineries, etc. On

utilise aussi pour le moulage de plastiques armés à très haute résistance mécanique

telles que les pales d'hélicoptères.

• 1968: Mise au point de la gélification sous pression automatisée. Ceci permet de mouler

des pièces de 2 g à 200 kg comme des isolateurs de corps de pompes, des disjoncteurs,

etc.

• 1972: Premiers moulages par injection de résines époxydes solides. Aujourd'hui, les

résines époxydes servent aussibien au bricoleur qu'au fabricant d'engins spatiaux, à la

préservation des vieux monuments ou à la copie de pièces de musée.

Depuis 1950, plus d'une cinquantaine de structures chimiques distinctes ont été

mises au point avec des nuances quant à la masse moléculaire, l'isomérie,la pureté, etc.

Avec une centaine d'agents de réticulation, des agents modificateurs, des diluants, des

charges organiques ou inorganiques, ces résines peuvent être préparées avec une variété

infinie de formules. Les époxydes sont considérés comme un avancement technologique

sans précédent sur les résines phénoliques et les résines polyesters.

10

1.2.2 Processus de polymérisation

Les polymères peuvent être classés en deux grandes familles: les thermoplastiques

et les thermodurcissables. Les thermoplastiques sont composés de longues

macromolécules qui ne possèdent pas de liaisons disponibles pour créer des ponts forts

avec d'autres molécules. Ils peuvent être amorphes (polyamide ' ou polystyrène) ou semi

cristallins (polyéthylène ou polypropylène). Les thermoplastiques ramollissent à la '

température de transition vitreuse pour laquelle ils peuvent être facilement déformés. Un

refroidissement en dessous de cette température montre que cet effet est réversible.

Les thermodurcissables comprennent les résines polyesters insaturées et les

résines époxydes, très souvent employées comme matrice dans les composites. Les

résines thermodurcissables sont composées de longues macromolécules possédant des

liaisons disponibles pour créer un réseau moléculaire tridimensionnel. Cette réaction est

déclenchée par des durcisseurs et par la température. Ces résines sont composées d'une

partie époxy et d'une partie durcisseur. Les durcisseurs contiennent des terminaisons

capables de s'additionner sur les cycles époxydes de la résine lors de la mise en œuvre ou

des fonctions catalytiques qui déclenchent la copolymérisation du système époxy. Cette

réaction s'effectue sans élimination, le polymère obtenu n'a donc qu'un retrait minime.

La résine époxyde parfaitement polymérisée fait partie de la famille des

thermodurcissables qui, par définition, sont infusibles et insolubles sous l'action de la

chaleur, des solvants ou des radiations. On peut se représenter la réaction d'une résine

époxyde bi-fonctionnelle et d'un durcisseur tétrafonctionnel classique par la Figure 1.5.

o~-----o

Résine époxy liquide

bi -fonctionnelle

+

)>--------c:(

Durcisseur standard

tétra-fonctionnel

11

Figure 1.5 Schéma du processus de polymérisation entre un époxy bi-fonctionnel et un

durcisseur tétra-fonctionnel.

Après quelques heures à température ambiante, le polymère possède déjà de

bonnes propriétés mécaniques. Des fonctions époxydes et aminés n'ayant pas réagi sont

encore présentes dans le réseau.

La Figure 1.6 montre le processus de polymérisation d'un système époxy [8].

Comme leur nom l'indique (thermodurcissable), ,,ces résines requièrent de la chaleur pour

polymériser. En fait, dans plusieurs cas, l'ajout d'un agent durcisseur joue le même rôle,

mais à la température de la pièce. C'est le cas des résines époxydes. Certaines résines

peuvent contenir de l'eau (phénoliques et aminoplastes). Lors du chauffage ou suite à

l'addition de l'agent durcisseur (ou de réticulation), la réticulation chimique entraîne la

formation d'un réseau tridimensionnel macromoléculaire. Ce réseau grandit de façon

linéaire d'abord, en formant de petits agrégats, comme des îles, lesquelles grandissent en

fusionnant des agrégats avec d'autres agrégats ou en accumulant du monomère. La

fraction en volume de ces agrêgats augmente jusqu'à une valeur critique (<Pc) où il y a

formation d'un macro-agrégat qui n'est limité en dimension que par les dimensions du

12

contenant (moule). C'est ce qu'on appelle le point de percolation. Ce phénomène de

formation d'agrégats est montré dans la Figure 1.6. La résine passe d'un état liquide

composé de macromolécules indépendantes à un état solide ayant une structure

moléculaire tridimensionnelle. Dans la Figure 1.6(a), les monomères s,?nt présents de

façon individuelle: on peut voir que certains sont bi-fonctionnels et d'autres tri

fonctionnels. En (b), plusieurs amas se sont formés. La conséquence première est un fort

accroissement de la .viscosité. En (c), la limite de percolation a été atteinte et en . (d) le

réseau est complètement réticulé. Quelque part entre (b) et (d), on atteint le point de gel,

lequel a différentes définitions. Souvent, on le considère atteint lorsqu'une bulle d'air ne

peut plus se déplacer dans le milieu. TI est donc possible d'observer le point de gel surtout

à l'aide de mesures rhéologiques.

(~~ .. -/---< ). ... ~ ).~).., )~ y'o( r-' }>---{ ..-.... ~

(d) (c)

,.

Figure 1.6 Modifications irréversibles de la structure d'une résine thermodurcissable par

réticulation. (a) monomères, (b) plusieurs agrégats moléculaires se sont formés, (c) la

limite de percolation et (d) le réseau complètement réticulé [9].

13

Une autre propriété de ce milieu est la température de transition vitreuse 9u Tg.

Pour le milieu réactionnel, Tg existe et il est défini. Notons qu'il n'y a pas de fraction

cristalline, comme c'est souvent le cas pour les thermoplastiques. Pour le milieu sur la

Figure 1.6(a), la Tg serait très basse, bien en deçà de la température de la pièce. Avec

l'augmentation de la taille et de <l> des agrégats, Tg augmente aussi jusqu'à passer par la

température de la pièce et cette augmentation continue jusqu'à ce qu'on ait un état tel

qu'en Figure 1.6( d). Souvent, à ce point, la Tg n'est plus détectable puisqu'elle se situe au

delà de la température de décomposition de la résine. Celle-ci sera donc toujours sous

forme vitreuse. Par contre, si ce point n'est pas atteint, on n'a qu'à réchauffer la résine

pour l'obtenir sous forme caoutchouteuse.

U ne autre différence de propriété importante des résines aux étapes intermédiaires

de prise allant de la Figure 1.6(a) à (c) est que la résine est complètement soluble en (a),

partiellement soluble ou soluble dans des solvants agressifs en (b), ou seulement

gonflable en (c). Généralement, en (d) la résine n'est ni gonflable, ni soluble. Ceci est en

fait ce que l'on demande souvent à un bon adhésif. E~ (b) et (c), on peut même effectuer

des extractions sur la résine. On dit alors que l'on détermine sa fraction soluble.

Gillham et al.[10] ont largement étudié les phénomènes de réticulation et ont

établi les diagrammes d'état Temps-Température-Transformation (TTT) [10-11]. Ces

diagrammes permettent de suivre l'évolution du -système (transition vitreuse) en fonction

du temps et de la température de réticulation comme présenté dans la Figure 1.7.

14

" " " Élastomère

Sol/Gel' Caoutchouc

gel Tg

TEMPS

Figure 1.7 Les diagrammes d'état Temps-Température-Transformation (TTT) [10].

Gillham et al.[lO] distinguent deux étapes importantes au cours de la cuisson:

• la gélification qui correspond à la formation d'un réseau tridimensionnel infini

et marque le passage de l'état liquide à l'état caoutchouteux, et

• la vitrification qui se produit lorsque la température de transition vitreuse du

système devient égale à la température de cuisson. Le système passe de l'état liquide ou

caoutchouteux à l'état vitreux, ce qui s'accompagne d'une chute importante de la

mobilité moléculaire et, par conséquent, d'un arrêt des réactions chimiques.

Dans ce diagramme généralisé (Figure 1.7), le temps requis en mode isotherme

pour atteindre le point de gel et l'état vitreux est représenté sous forme graphique en

fonction de la température. Sous la température de transition vitreuse (T gO), les réactions

de réticulation sont très lentes: on peut donc entreposer l'adhésif non réagi à ce stade.

Entre T gO et Tg, la résine va réagir continuellement jusqu'à ce que sa Tg, qui augmente

continuellement, coïncide avec la température de travail. Il en résulte une transformation

de la résine, initialement sous forme de liquide visqueux composé de molécules longues

et indépendantes, en solide ayant une structure tridimensionnelle. Cette réaction est

15

irréversible. Puisque la réaction est thermoactive, les résines thermodurcissables doivent

être conservées à de basses températures, souvent inférieure à -18°C. De plus, pour les

températures de réticulation élevées, il y a compétition entre la polymérisation et la

dégradation thermique. Les mécanismes réactionnels gouvernant le processus de

réticulation sont complexes et dépendent des conditions de température, des proportions

des différents intervenants chimiques et de la présence ou non d'un catalyseur. Les

différentes réactions chimiques envisageables sont:

• attaque nucléophile de l'amine primaire (R-NH2) sur le cycle époxyde,

• attaque nucléophile par l'oxygène du groupement hydroxyle (-OH) sur le cycle

époxyde,

• attaque nucléophile de l'amine secondaire (RR' NH) sur le cycle époxyde,

• attaque nucléophile de l'oxygène d'un cycle époxyde sur un autre cycle

époxyde.

Différentes études résumées p~lf Wright [12] concluent que la réaction principale

est l'attaque nucléophile d'un groupement amine primaire sur le cycle oxiranne

(époxyde) tant que la température de transition vitreuse du réseau formé reste inférieure à

celle de réticulation (vitrification). Passé ce stade, la mobilité moléculaire est faible et la

réaction hydroxyle/époxyde devient majoritaire. Les réactions époxyde/époxyde et amine

secondaire/époxyde sont quasiment inexistantes. Néanmoins, la contribution de" chaque

type de réaction à la structure du réseau final dépend fortement des compa"sitions relatives

de chacun des constituants.

Morgan et al.[13] observent que la Tg la plus élevée d'un mélange TGMDAIDDS

est obtenue pour un taux de durcisseur qui implique théoriquement que seulement la

moitié des cycles oxirannes ont réagi au cours de la réticulation. Ils en concluent que les

réactions secondaires jouent un rôle important lors de la réticulation, ce qui permettrait

d'expliquer qu'un réseau, qui devrait être aussi mal réticulé, possède des propriétés

mécaniques remarquables.

Les résines époxydes sont souvent employées pour les composites à haute

performance, car leur retrait est nettement inférieur à celui des polyesters. De plus, leur

adhérence, leur résistance mécanique et leur résistance chimique sont plus élevées. Leur

16

structure contient le groupe époxyde (Figure 1.8). il comprend deux atomes de carbone et

un atome d' ox ygène insérés dans une chaine moléculaire.

Figure 1.8 Le groupe époxyde.

Le groupe époxyde est très réactif. Le plus employé est le groupement

glycidyléther présenté dans la Figure 1.9.

H H2 H2C-C-C-Q-Ar(R)

\/ Q

Figure 1.9 Le groupe glycidyléther.

La résine cOminercialement la plus importante est le diglycidyléther du bisphénol

A (DGEBA) montrée sur la Figure 1.10. Son nom est l'éther diglycidyl du bisphénol-A,

le DGEBA (n=O). il est produit en réagissant un "bisphénol A", le 2,2'-diphénol-iso

propylidène, avec l'épichlorohydrine. Ce produit peut réagir de nouveau avec le DGEBA

pour faire une oligomère.

. /0\ -o-CDH3 OH -o-CDH

3 /\ H C-CH-CH 0 f ~ t f ~ O-CH -tH-CH 0 f ~ t f ~ O-CH -CH-CH

2 2 _1_ 2 2 _1_ 2 2

C~ C~ , n

Figure 1.10 Le diglycidyl éther du bisphénol-A.

Le nom commercial en fonction de la valeur de « n » est présenté dans le Tableau

1.2 pour quelques résines à base de diglycidyléther du bisphénol A (DGEBA).

17

Tableau 1.2 Nom commercial pour quelques résines à base de diglycidyléther du

bisphénol A en fonction de la valeur de n [8].

n

o (DGEBA)

2-3

5-6

Nom commercial

Ciba-Geigy Araldite 6004, Dow DER 332, Shell Epon 828, BE 188

Ciba-Geigy Araldite 6071, Dow DER 661, Shell Epon 1001

Ciba-Geigy Araldite 6084, Dow DER 664, Shell Epon 1004

La valeur de n indique, en moyenne, le nombre de fois que le groupement entre

crochets est répété. Pour que la résine soit liquide à la température ambiante et utilisable

pour l'imprégnation des fibres, «n » doit être inférieur à 1. Les résines époxydes ayant

une valeur de n supérieure à 1, par exemple les résines .réticulées avec des amines

aromatiques, peuvent être utilisées pour les matériaux composites, mais elles doivent être

chauffées pour abaisser leur viscàsité. Pour augmenter la température maximale en

service, des époxydes tels que la résine tétraglycidylamine (TGMDA) sont utilisées.

Leurs valeurs de n sont supérieures à 2 et ces systèmes sont plus résistants à la

température et peuvent être utilisés jusqu'à 175°C [14].

Les catalyseurs employés avec les résines époxydes appartiennent à trois familles:

les amines, les anhydrides et les agents catalytiques. Les amines peuvent être aliphatiques

et aromatiques. Les premières peuvent être utilisées à la température ambiante pour la

fabrication par moulage; tandis que les amines aromatiques peuvent être utilisées pour

l'enroulement filamentaire et la fabrication des pré-imprégnés. Les amines aromatiques

sont plus lentes à réagir à la témperature de la pièce, mais elles sont plus rapides à haute

témperature. Elles sont donc plus populaires.

Les anhydrides sont souvent choisis pour des applications qui demandent des

durées de réticulation longues. Cette famille de catalyseur requiert une température

élevée pour déclencher la réticulation, généralement 180°C [15]. Les agents catalyseurs

appartiennent à un groupe de produits connus sous le nom d'acides et bases de Lewis et

requirent également une température d'environ 180°C pour déclencher la réticulation. Le

Tableau 1.3 en présente quelques uns.

18

Tableau 1.3 Quelques agents réticulants pour les résines époxydes [9].

Durcisseurs amines aliphatiques:

Éthylènediarnine (EDA)

Diéthylènetriamine (DETA)

Triéthylènetétramine (JETA)

Hexaméthylènediamine (HMDA)

Dicyandiamide (dicy)

Durcisseurs amines aromatiques:

m-phénylènediamine (mPDA)

4,4'-diaminodiphénylméthane

(méthylènedianiline, MDA)

Diarninodiphénylsulfone (DDS)

Durcisseurs polyamides:

Résines General Mills Versamid R

Durcisseurs acide anhydride:

Anhydride hexahydrophtalique

(llliPA)

Anhydride tétrahydrophtalique

de méthyle (MTHP A)

Dianhydride pyromellitique

(PMDA)

Catyliseurs amines tertiaires:

BenzylméthyIarnine

Tris- 2,4,6-diméthyIaminométhyl

phénol

H2N -(CH2)2-NH2

H2N -(CH2)2-NH -(CH2)2-NH2 H2N -(CH2)2-NH -(CH2)2-NH-(CH2)2-NH2

H2N -(CH2)6-NH2 H2N -C-NH-C==N

Il NH

NH2

H2N-< S

19

Plusieurs . auteurs ont décrit les réactions époxyde-amine [16]. La polymérisation

engendrée est une polyaddition (Figure 1.11). Le doublet de l'azote de l'amine primaire

attaque le carbone le moins encombré de l'époxyde. TI y a formation d'un amino-alcool

(réaction (a)).

L ' amine secondaire peut réagir à son tour sur une autre fonction époxyde, pour

donner une amine tertiaire (réaction (b)). Les deux réactions (a) et (b), ont des constantes

de vitesse (k5 et k6) différentes. Habituellement, elles sont complètes dans le sens k (pas

de réaction inverse k'), lorsque le nombre de fonction époxyde est égal ou inférieur au

nombre d'hydrogènes des' fonctions amine.

De plus, si dans le cas des amines aromatiques, la réactivité de l'amine secondaire

est inférieure à celle de l'amine primaire, dans le cas des amines aliphatiques, les

réactivités des deux hydrogènes se trouvant sur l'azote sont équivalentes.

Quant à la réaction (c) entre un alcool et une fonction époxyde, elle n'a lieu qu'en

cas d'excès d' époxyde ou lorsque qu'elle est catalysée par des groupes hydroxyles

(présents dans l'eau, les alcools, les acides, etc.). Dans le cas général, cette réaction n ' a

donc pas lieu.

R:L- r H2 + R-HC-CH~ / . ~

o -.

1r'5

R- CH-CH -N-R' + R- C- CH2

1 1 \/

OH H 0

~r ....

--. CH--

1 OH

R-HC- C ! o

R-C - CH - -R" 1 2 1

OH

R- CH- CH2

1

OH

CH--

1

Q- CH2 CH- R 1

OH

a)

(b)

Figure 1.11 Mécanismes pour les réactions époxyde-amine. (a) la réaction entre l'amine

primaire et l'époxyde, (b) la réaction entre l'amine secondaire et l'époxyde, (c) la

réaction entre un alcool et l'époxyde [9].

20

Malheureusement, la dissolution des amines dans l'eau modifie considérablement

le comportement de celles-ci vis-à-vis des différentes surfaces: la forme des diamines

varie suivant le pH (Figure 1.12, (1)). En milieu organique aussi, la forme des diamines

varie suivant leur concentration dans le solvant organique (Figure 1.12, (2)). TI est donc

préférable d'étudier directement le comportement d'amines pures lors de l'application sur

les différentes surfaces. Les équations de dissociation des diamines en milieux aqueux (1)

et organiques (2) sont données à la Figure 1.12 [2].

(1 )

.-------~-------------------. 1 H a g t tt

Figure 1.12 Équations de dissociation des diamines, (1) en milieux aqueux et (2) en

milieux organiques [17].

Quelques caractéristiques principales des résines sont indiquées dans le Tableau

1.4. On peut observer que les résines époxydes ont de très bonnes propriétés mécaniques.

21

Tableau 1.4 Quelques caractéristiques principales de résines [18].

P E G v (Ir "Tmax ad Résine

(kg/m3) (10-5 K-1) (GPa) (MPa) (-) (MPa) (OC)

Époxyde 1,2 4,5 1600 0,4 130 90-200 0,3-1 ,6

Phénolique 1,3 3 1100 0,4 70 120-200 1,0-2,3

Uréthane 1,1 0,7-7 - - 30 100 -

Polyester 1,2 4 1400 0,4 80 60-200 0,4-1 ,6

UF 1,2-1,5 6-10 - - 40-80 140 0,7-1 ,1

PF 1,1-1,3 3-4 - 0,36 35-60 80-300 -

pMDI 1,24 - - - - 230 -

Dans la Figure 1.13, les auteurs montrent les performances de quelques résines

qui sont utilisées d~ns des matériaux composites.

l\'lost 10 desinlble .----

8

6

4

2

Least 0 desll'3ble Sinoke

elnission

PbenoIic ' DEpoxy . __ Polyester • Silicone

Polymide

MaxiInwn so'engtb

Service telnp el'atm'e

Cost

Figure 1.13 Performances des résines les plus utilisées dans l'industrie [19].

1.3 Les fibres de renfort pour les composites

1.3.1 Introduction

22

Le Protocole de Kyoto sur les changements climatiques mondiaux a eu pour effet

d'accélérer la transition vers une économie durable et plus respectueuse de

l'environnement. Cette évolution s'effectue avant tout par un changement dans la

destination des plantes cultivées, de la consommation alimentaire à la production

d'énergie, et par le remplacement progressif des produits pétrochimiques par des

ressources renouvelables, telles que les cultures non vivrières. Étant une importante

ressource renouvelable, les fibres ligno-cellulosiques extraites des tissus végétaux sont

appel~es à jouer un rôle de premier plan dans cette transition.

23

Les marchés des plantes textiles, telles que l'abaca, la fibre de coco, le jute et le

sisal, ont subi une érosion sensible depuis l'introduction des fibres synthétiques. Des

créneaux commerciaux ont toutefois été maintenus et un certain nombre de nouveaux

marchés font leur apparition. Par exemple, on note: les matériaux composites renforcés

par des fibres naturelles pour l'industrie automobile, les matériaux de construction et les

géotextiles biodégradables, l'image écologique des fibres cellulosiques stimulant

l'innovation et le développement.

Les matériaux composites à matrice organique sont présents dans de nombreux

secteurs industriels: transport, nautisme, électronique, bâtiment, sports et loisirs, etc. Ils

bénéficient tous d'une croissance rapide et régulière due, entre autres, à la diversité de

leurs propriétés et de leurs procédés de transformation. Ces matériaux apportent de

nombreux avantages fonctionnels tels que la légèreté, la résistance mécanique et

chimique, la liberté de formes et un entretien réduit. Leur développement est notamment

alimenté par la diver~ité et l'innovation des systèmes de renforts qui présentent une

gamme de propriétés de plus en plus étendue grâce à l'utilisation de matériaux atypiques

et le développement de nouvelles structures.

Les composites sont des matériaux solides, inhomogènes et anisotropes,

constitués par l'association à l'échelle microscopique d'au moins deux composants aux

caractéristiques complémentaires. Cette association leur confère à l'échelle

macroscopique un ensemble de propriétés mécaniques ou physiques que chacun des

constituants pris seul ne possède pas. Les composites contiennent principalement deux

éléments qui sont le renfort et la matrice.

Le renfort constitue le squelette ou l'armature du composite et a pour fonction de

supporter l'essentiel de l'effort mécanique appliqué au matériau. La matrice doit lier les

renforts entre eux, les protéger du milieu extérieur et répartir la charge mécanique. Le

renfort se présente généralement sous forme fibreuse et se compose de' plusieurs

centaines, voire de plusieurs milliers de filaments de très petit diamètre (5 à 20 ~m). Sa

nature fibreuse permet d'obtenir un matériau anisotrope avec un renforcement dans des

directions préférentielles.

Les composites de grande diffusion, qui représentent environ 95% des composites

utilisés, possèdent un taux de renfort avoisinant 30% avec une utilisation majoritaire de

24

fibres courtes. Dans la plupart des cas, ces matériaux ne présentent pas de propriétés

anisotropes en raison de la nature du renfort utilisé. Les composites hautes performances

ont des taux de renfort plus importants, souvent supérieurs à 50% et contiennent plutôt

des fibres longues ce qui leur confère une anisotropie importante.

Les principaux matériaux actuellement utilisés comme renforts sont les fibres de

verre, d ' aramide et de carbone. D'autres fibres sont également commercialisées, mais

elles restent peu utilisées du fait de leur mise en œuvre plus complexe et de leur coût plus

élevé: fibres de bore, carbure de silicium, alumine, silice, zircone. Des renforts plus

atypiques tels que les fibres naturelles ou les fibres de basalte peuvent également trouver

leur place dans le renforcement des composites. TI faut noter que les fibres sont plus

résistantes que les matériaux dont elles sont constitués, dans la mesure où elles ont très

peu de dislocations.

Dans notre cas, on a utilisé différents types de fibres naturelles comme renfort

pour les résines époxydes. La classification des fibres naturelles est présentée dans la

Figure 1.14.

1

Fibres animales

1

Fibre de bois

1

Fibres nat ureDes

1

1

Fibres v égét ables

1

1

Fibres 1 libériennes

Fibres e1""1rades des

feuilles

Fibres extraites de poils

s éminanx des graines r/

lin chanv re jute kénaf ramie

f-sÎsal f-bana.nier r-paJmier

I-~oton 1 t kapok

Fibres minéraJes

Fibres agricoles

1

1

Fibres extraites de l'env eloppe

du fmit

Il

t coco 1

1

Fibres extrait es des tiges ou des

troncs

paille de blé paiDe de riz paiDe d ·orge bambou

Figure 1.14 Classification des différents types de fibres naturelles [20].

25

Une fibre est une matière très performante possédant une résistance à la rupture et

souvent des modules d'élasticité beaucoup plus élevés que ceux du I?ême matériau sous

sa forme massive. Sous la forme d'un filament, les propriétés d'un matériau sont

beaucoup plus proches des valeurs théoriquement possibles que sous toute autre forme de

matière. C'est en particulier le cas de la résistance à la rupture, qui n'est pas une propriété

intrinsèque, mais qui dépend des défauts présents à la surface ou dans le volume du

matériau et qui engendrent des concentrations de contraintes.

La probabilité de trouver un défaut de taille conséquente décroit avec le volume

de matériau considéré. Les fibres, employées comme renforts, ont un petit diamètre de

l'ordre de 1 0 ~m et il en résulte que pour une longueur donnée, leur volume reste petit.

Un assemblage de fibres est alors beaucoup plus résistant que le même volume de

matériau sous forme massive [21].

1.3.2 Les fibres de bois

Les fibres naturelles sont des structures biologiques principalement composées de

cellulose, hémicelluloses et de lignine .. Dans une proportion beaucoup plus faible, elles

contiennent aussi des extractibles, des protéines et certains composés inorganiques. TI

existe différentes classifications de ces fibres. Les fibres dures forment un groupe à part

entière qui représente environ 90% de la production mondiale.

La proportion d'holocellulose (cellulose, hémicelluloses) et de lignine varie

beaucoup selon les fibres naturelles Gute, bois, sisal, kenaf, etc.). Chaque fibre se

présente sous la forme d'un composite multicouches dans lequel la lignine joue le rôle

d'une matrice enrobant un élément structurant très rigide qu'est la cellulose .

. Contrairement aux autres composantes des fibres qui possèdent une structure

amorphe, la cellulose possède une structure en grande partie cristalline. La cellulose

cristalline est l'un des polymères ayant le module d'élasticité le plus élevé, soit environ

136 GPa à comparer au 75 GPa de la fibre de verre. Cette rigidité provient de la structure

cristalline qui suit un agencement supramoléculaire hélicoïdal très ordonné. li est

important de noter que cette structure moléculaire particulière entraîne lors d'une

élongation des fibres, un couplage torsion/traction qui peut avoir des conséquences sur

26

l'interface, sur la déformation ou sur les mécanismes de rupture du composite. À

l'intérieur de la fibre, les chaînes cellulosiques sont réunies en micro-fibrilles qui, en

s'agglomérant, forment des fibrilles sur plusieurs couches tel qu ' illustré sur la Figure

1.15.

.,.1Ii!!+----- PLANCHE

,..~~~ _____ STRUCTURE

ANATOMIQUE

~;~~',f:-- ··~J---------------- CELLULE

PAROI ~-------------------- CELLULAIRE

microfibrilles

S1 +S2+S3 : paroi secondaire P : paroi primaire LM : lamelle mitoyenne

Figure 1.15 Structure du bois (observations multi-échelles) [22].

L S3

Pour les fibres de bois, l'angle qui existe entre ces éléments très structurés et l'axe

de la fibre conditionne la rigidité de la fibre. Les liaisons hydrogènes qui s'établissent le

long et entre les chaînes cellulosiques sont à la base des bonnes propriétés des fibres

cellulosiques. Ce sont les différences constitutives ainsi qu'anatomiques qui vont donner

la grand~ variabilité des propriétés physico-mécaniques des fibres naturelles.

Un des aspects importants des fibres est leur grand degré de variabilité tant du

point de vue des propriétés que du point de vue · morphologique. Cette variabilité existe

27

entre les espèces, à l'intérieur d'une espèce, ainsi que pour un même individu. Le Tableau

1.5 rapporte des valeurs caractéristiques pour certaines fibres communes.

Tableau 1.5 Caractéristiques des fibres naturelles [23].

Longueur de

la fibre Facteur de Module de Déformation

technique Diamètre forme f/d traction maximale

Fibres (mm) (flm) (-) (GPa) (0/0 )

Coton 25 12 - 25 2000 6,0 - 10,0 6,0 - 8,0

Lin 4,0 - 8,5 12 - 30 1500 50 -70 1,3 - 3,3

Chanvre 5,0 - 40,0 16 - 50 550 - 960 30 - 60 1,7 - 2,7

Kenaf 2,5 - 4,5 14 - 33 - 60 1,7 - 2,1

Jute 2,5 5 - 25 110 20 - 55 1,5 - 2,0

Sisal 100 - 125 100 - 400 100 9 - 22 3,0 - 14,0

Banane 4,5 - 10 50 - 250 - 7 - 20 1,8 - 3,5

Abaca 60 et plus 50 - 280 - - 2,1 - 2,4

1.3.3 Les fibres de chanvre

La fibre de chanvre est une fibre naturelle d'origine végétale extraite de la tige

d'une plante portant le même nom (Cannabis sativa). Elle est constituée à 85% de

cellulose [24]. La fibre peut absorber jusqu'à 30% d'humidité sans coller à la peau et

retient 95% des rayons UV. Le chanvre absorbe plus d'humidité que le coton. Elle brûle

rapidement sans laisser de déchets. Les fibres ont une paroi plus épaisse que les autres

cellules et sont situées en périphérie des tissus conducteurs de la tige, comme chez le lin,

mais elles sont plus fortement lignifiées (voir Figure 1.16). En conséquence, la

dissolution des ciments pectiques par rouissage est incomplète et les fibres ne sont pas

totalement dissociées. Elles forment plutôt une étoupe grossière. Dans la Figure 1.17, on

présente une image de la fibre de chanvre par microscopie électronique.

28

Figure 1.16 Coupe transversale de tige de chanvre [24].

Figure 1.17 Faisceau de fibres de chanvre en coupe transversale par microscopie

électronique à transmission [25].

1.3.4 Les fibres de lin

Le lin cultivé (Linum usitatissimum) est une plante annuelle de la famille des

Linaceae cultivée principalement pour ses fibres, mais aussi pour' ses graines

oléagineuses. Les fibres de lin, longues de 40 à 50 mm, sont contenues dans des faisceaux

29

fibreux situés à la périphérie de la tige peu ramifiée et longue de 80 à 120 cm [25]. Les

fibres sont deux à trois fois plus résistantes que le coton. Le lin a une faible élasticité,

mais est hautement absorbant et bon conducteur de chaleur.

La formation des fibres se fait tput au long de la croissance de la plante en

périphérie des tissus conducteurs. Une tige comporte 30 à 40 faisceaux de fibres

disposées longitudinalement. Un faisceau est composé de 10 à 40 fibres et peut renfermer

une certaine proportion de lignines (2 à 5 % de la matière sèche) déposées en fin de

maturation essentiellement au niveau des lamelles moyennes. Chaque fibre est une seule

cellule très allongée de 6 à 10 cm et d'un diamètre de 7 à 40 ~m, composée de 70 à 80%

de cellulose [25]. La croissance des fibres se fait en deux temps:

• une croissance primaire apicale qui amène la fibre à sa longueur définitive,

• une croissance secondaire qui augmente l'épaisseur de la fibre qui devient

beaucoup plus épaisse qu'une fibre de coton. Au cours de la synthèse de cellulose,

le lumen se réduit progressivement. Les dépôts récents de cellulose (à l'intérieur)

sont fortement réactifs aux tests des polysaccharides. Le lumen étant plus étroit, la

fibre ne vrille pas.

La Figure 1.18 présente trois étapes différentes de la tige de lin (12 jours, 50 jours

et 98 jours). Ces coupes transversales montrent l'épaississement de la paroi des fibres en

fonction du nombre de jours de maturité de la plante et la disparition presque totale du

lumen [25].

30

Figure 1.18 Trois étapes différentes de la tige de lin (12 jours, 50 jours et 98 jours) en

coupes transversales [25].

La synthèse de cellulose est maximale au moment de la floraison et se poursuit

pendant la fructification. Elle dure de deux à quatre semaines pour une fibre donnée.

Dans la Figure 1.19, on présente une image d'une fibre de lin par microscopie

électronique.

Figure 1.19 Faisceau de fibres dans une tige de lin, coupe transversale par microscopie

électronique à transmission [25].

31

1.3.5 Les fibres de sisal

Le sisal (Agave sisalana) est une plante de la famille des Agavaceae originaire de

l'est du Mexique où on la trouve également sous l'appellatiori de henequen. Le sisal est

également le nom de la fibre extraite des feuilles de cette plante. Très résistante, cette

fibre sert à la fabrication de cordage, de tissus grossiers et de tapis. L'origine de son nom

provient de la ville de Sisal située dans la province du Yucatan au Mexique. C'est à partir

du port de cette ville qu'étaient expédiées les fibres dans le monde entier.

Lors de la période faste, l'exploitation des plants de sisal se faisait sous le contrôle

des grands propriétaires d'haciendas. Les cheminées de ces grands domaines tranchent

encore par endroit dans la vaste plaine · du Yucatan: La culture de cette plante est

désormais anecdotique mais on trouve au Mexique des articles artisanaux exclusivement

fabriqués à partir de cette fibre et dont les plus connus sont les hamacs ou les cloches de

sisal ou de parasisal pour fabriquer les chapeaux.

La production mondiale de sisal est estimée à 300000 tonnes. Les principaux

producteurs sont le Brésil (120000 tonnes), la Tanzanie (30000 tonnes) et le Kenya

(25000 tonnes). Le Brésil exporte près de 100000 tonnes de fibre brute et de produits

manufacturés, le Kenya 20000 tonnes et la Tanzanie 15000 tonnes.

1.3.6 Avantages, désavantages et applications des fibres naturelles

Une étude comparative des incidences environnementales du polypropylène (PP),

du polyéthylène haute densité (HDPE), du polyuréthane (PU) et de celles des produits à

base de fibres naturelles a été conduite et les résultats obtenus examinés, en vue

d'identifier les mesures de suivi à prendre. Cette analyse a permis de conclure que la

production de fibres naturelles requiert moins de 10% de l'énergie qui est employée pour

produire des fibres de polypropylène (environ 90 Gl/tonne). Lorsque les calculs tenaient

compte de l'utilîsation d'engrais, les besoins énergétiques pour la production de fibres

32

naturelles passaient alors à 15% environ de l'énergie nécessaire pour la fabrication des

fibres de polypropylène [8].

D'autre part, l'impact des déchets produits (pollution de l'air ,et de l'eau, ainsi que

les déchets solides) s'est révélé supérieur pour les produits synthétiques. TI est apparu que

la pollution de l'eau dérivant de la production des fibres naturelles était relativement

importante, mais constituée de composés biodégradables, contrairement aux rejets de

produits chimiques persistants, notamment de métaux lourds, dans les effluents des usines

chimiques. Le traitement des eaux usées résultant de la fabrication des fibres naturelles

serait donc techniquement plus aisé et moins onéreux. Au stade de la production des

produits finis, il est également apparu que la demande d'énergie était plus élevée pour la

transformation des fibres synthétiques, tandis qu'au niveau du fini et de la teinture,

l'impact était équivalent. Dans le Tableau 1.6, on présente une comparaison entre les

avantages et les désavantages d'utiliser des fibres naturelles comme renforcement pour

différents polymères.

33

Tableau 1.6 Comparaison entre les avantages et les désavantages d'utiliser des fibres

naturelles.

Avantages Désavantages

• Coût plus faible • Mauvaise stabilité dimensionnelle

• BiodégradablelRecyclable • Craquage/Fissuration

• Pas d'émission de CO2 • Faible résistance à l'humidité

(absorption)

• Rigidité et insonorisation • Faible adhésion interfaciale

• Faible besoin en énergie pour la • Interactions hydrophiles -

production hydrophobes

• Grande résistance à la rupture • Conditions d'opérations limitées

en température

• Renouvelables • Absorption de l'eau

• Excellent module spécifique • Qualité variable

• Abrasion réduite de l' outillage • Biodégradables

En règle générale, la plupart des avantages environnementaux des produits à base

de fibres s'acquièrent au cours de la phase d'utilisation. Le poids réduit des composites à

base de fibres naturelles dans les applications automobiles, contribue davantage à la

protection de l'environnement en termes d'économies de carburant qu'en termes

d'économies d'énergie durant la phase de production des pièces automobiles.

Lorsque la même résistance mécanique est requise, l'avantage d'utiliser des fibres

cellulosiques plutôt que des fibres de verre dans un matériau composite peut être perdu

parce que les éléments de construction doivent alors être plus lourds. Toutefois, lorsque la

34

même rigidité est demandée, les fibres ligno-cellulosiques permettent d'obtenir des

éléments de construction plus légers, grâce à leur plus grande résistance spécifique. Cela

étant, il faut noter que l'importance des avantages pour l'environnement est fonction du

type d'application. L'avantage écologique dérive généralement d'un effet secondaire, tel

que la réduction de poids, et n'est pas lié à l'origine "verte" de la fibre. TI n'est donc pas

possible de donner une indication générale des avantages résultant de l'utilisation de

p~oduits à base de plantes textiles.

35

1.4 Objectifs du travail

Pour faire face à la forte compétition, l'industrie des matériaux plastiques essaie

par divers moyens d'augmenter le ratio performance/coût de ses produits. Le

renforcement des résines époxydes avec des fibres naturelles permet d'économiser du

polymère et d'utiliser des matières premières moins coûteuses comme les fibres

naturelles, tout en conservant de bonnes propriétés mécaniques.

Le renforcement de composites avec des fibres naturelles comme les fibres de

bois, chanvre, lin et sisal est un sujet particulièrement intéressant puisque ces composés

ont une faible valeur commerciale pris individuellement et une seconde utilisation

contribuerait à résoudre certains problèmes au niveau environnemental. Par ailleurs, les

fibres recyclées permettent d'effectuer des économies substantielles de résines époxydes.

L'objectif principal du présent travail est donc d'étudier l'effet du renforcement

des fibres naturelles sur les propriétés mécaniques de résines époxydes. Les pièces

doivent avoir de bonnes propriétés mécaniques, être uniformes et reproductibles. Les

résines époxydes utilisées dans cette étude sont obtenues par la réaction entre le bisphénol

A et l'épichlorohydrin (diglycidyl éther du bisphénol A) (Résine Epon 828, Résine BE

188). Comme agent réticulant, on utilise une polyamine à base d'eau (Anquamine 401,

Anquamine 701) qui est moins toxique, car on n'utilise pas de solvant organique. Comme

renforcement, différents types de fibres naturelles (bois, lin, sisal et chanvre) seront

testées avec différentes concentrations et longueurs. Aucun agent de modification

d'interface n'a été ajouté afin de limiter l'étendue de cette étude.

Un pré-mélange entre la fibre naturelle et les résines époxydes sera effectué à

l'aide d'un bécher et d'une spatule. Par la suite, on effectue une caractérisation complète

des échantillons produits en termes morphologique (densité), taille de fibre et propriétés

mécaniques (flexion, torsion et tension). Ces mesures permettront de définir les relations

entre la structure et les propriétés.

En fait, quels que soient les progrès envisageables, introduire des fibres végétales

36

dans une matrice de synthèse ne peut donner que des résultats limités, en termes de

performances et surtout de recyclabilité. C'est pourquoi, pour nombre de chercheurs et

d'industriels, la solution à long terme est du côté des composites d'origine 100%

renouvelable.

Compositec [26], une compagnie européenne, veut lancer un projet de recherche

sur un composite à base de résine thermodurcissable d'origine biologique (issue d'une

huile végétale). Une autre compagnie Techni-Lin, tout en continuant à améliorer la

liaison entre ses fibres de lin et les fibres thermoplastiques de synthèse aujourd'hui

mélangées dans les feutres, affirme qu'elle a mise au point un non-tissé 100% d'origine

renouvelable, en mélangeant le lin avec d'autres fibres naturelles.

Au niveau européen, l'objectif du projet Biocomp, qui réunit 25 laboratoires et

PME sous l'égide du Fraunhofer Institut (Allemagne), est d'aboutir à la fin de 2008 à des

pièces de ~émonstration combinant des fibres végétales et des polymères eux aussi

d'origine naturelle. L'une des raisons de cet engouement pour le 100% renouvelable est la

disponibilité de polymères d'origine végétale à l'échelle industrielle [26]. L'amidon

plastifié et )'acide polylactique (PLA) sont les deux polymères d'origine renouvelable

disponibles sur "le marché. Quelques industriels, et non des moindres, ont déjà

expérimenté l'utilisation de composites combinant des fibres et des résines d'origines

végétales: Toyota a installé sur certains de ses modèles un cache de roue de secours en

PLA/fibres de kenaf. D'autres applications sont en cours de développement.

37

Chapitre 2

Revue de la littérature

Dans ce chapitre, une revue de la littérature scientifique sur le sujet des résines

époxydes renforcées est présentée. Une brève revue sur différents types de renfort est

présenté avant de s'attaquer au cas des fibres naturelles. On rapporte les différentes

techniques de fabrication, les caractérisations morphologiques et les propriétés

mécaniques des composites renforcées avec des fibres naturelles.

2.1 Résines époxydes renforcées avec des nanoparticules

Wetzel et al. [27] ont étudié le comportement à la rupture et les mécanismes de

durcissements pour les époxydes renforcés de nanoparticules. Les matériaux de cette

étude ont été une résine époxyde et un cyclo-amine comme durcisseur. Les

nanoparticules étaient: 1) de l'oxyde d'aluminium (AI20 3) avec des tailles d'environ 13

nm et sans traitement de surface et 2) du dioxyde de titane (Ti02) ayant un diamètre entre

200 et 500 nm. Les spécimens ont été testés en flexion à une vitesse de 2 mm/min et la

Figure 2.1 montre la dépendance entre le contenu de nanoparticules et les propriétés en

flexion. Les deux types de remplissage (A120 3 et le Ti02) améliorent le module et la

résistance avec la concentration en nanoparticules. Néanmoins, les augmentations sont

faible, de l'ordre de seulement 16% pour le module en flexion et de 28% pour la

résistance à la flexion. ils ont constaté que la présence de nanoparticules dans les résines

époxydes induit divers mécanismes de fracture comme la déflexion des fissures, la

déformation plastique et le crack pinning.

.------~-~

4000

'i' At

3500, (1)'

~ ~

" 3000' 0

e 250'0 , ~ ~

2000'

or. o

-' 0- · TIO 300 nm li

---.- A120 ,. 13 nrn

. . . . . '. . . . . . =r 11 2 3 4 56 7 8 9 10 111 Nanoparticl Content [vol. 0/0 ]

38

180~~~~~~~~~~~~~~

cu 1'70

;~160 "; '150 m 140 ai 130 1;;.

,u; 120 ~ 110

~ 100 .! 90 'LL 80

01". o

.. i i 1

2 3 4 5 Nanoparticle Content [voLo;o)

Figure 2.1 Module en flexion (gauche) et la résistance à la flexion (droite) des époxydes

nanocomposites en fonction de leur contenu en nanoparticules [27].

2.2 Résines époxydes renforcées avec des fibres de verre

Naceri et al.[28] ont analysé le comportement mécanique d'un stratifié composite

constitué de 12 couches de tissus à ~mure de fibres de verre E dans une résine époxyde

conditionné en milieu humide à différents taux d'humidité relative: 0,60 et 96% pour une '

température de 60°C. La fraction volumique des fibres a été de 55%. Le Tableau 2.1

présente les résultats expérimentaux obtenus pour des essais de traction uniaxiale réalisés

dans le sens « chaîne» et «trame ». On remarque une diminution significative de l'ordre

de 45% en moyenne de la contrainte axiale et de la déformation longitudinale de rupture

(O'rup et Erup), des échantillons conditionnés à 96% d'humidité relative pendant l'époque 1 et

II (plateau de saturation et vieillissement). Bien qu'il y ait une dispersion non négligeable

des résultats expérimentaux, on peut conclure que l'absorption d'eau se tr,aduit par une

diminution des caractéristiques mécaniques ultimes, cette chute étant surtout importante

pour les échantillons conditionnés à 96% d'humidité relative. Une reprise en eau entraîne

nettement une réduction de la résistance. Les échantillons secs sont toujours plus

résistants et que les échantillons conditionnés à 96% d'humidité relative sont toujours

plus fragiles.

39

Tableau 2.1 Résultats expérimentaux obtenus en environnement contrôlé à différents

taux d'humidité relative (0, 60 et 96% RH) à 60°C de l'essai de traction uniaxiale réalisé

dans le sens chaîne et trame [28].

RII (%) (onclit- Et (lrnp ErUp là 60 Oc hygroflh (GPa) (MPa) (%)

IChaÎne 0 Sec 27]82 549 2} 18

Sec: ChaÎne Epoq 1 27 ~5 5210 2}47

·60 Humide Epoq 27J35 500 2,19 IChaÎne Epoq 1 27]0 J 3 1131

96 Humide Epoq n 216/13 J 0 1}26 Trame

0 Sec 27/37 513 2.152 Sec

Trame Epoq 1 2'1/13: 4716 2148 60

Humide Epoq Il 2'1/05 437 21 15 Trame Epoq 1 216/42 293 1J34

96 Humide Epoq n 2.5/53 283 1J29

2.3 Résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles

Gassan [29] a étudié le vieillissement des composites qui se caractérise par

l'apparition de fissures. Ces fissures dépendent de la ductilité et du type de matrice, ainsi

que du module de la fibre. L'humidité se disperse dans le composite et augmente les

fissures entre les fibres et la matrice. Les mesures montrent une réduction progressive de

la résistance et de la dureté avec une augmentation d'humidité dans le matériau.

40

L'effet de l'humidité influence:

a) La viscoélasticité de la matrice chargée de fibre;

b) L'atténuation de la thermoélasticité;

c) L'atténuation de la friction de Coulomb due au glissement;

d) L'énergie de dissipation et l'amorce de fissure ou du délaminage.

Gassan [29] a aussi étudié les effets d'adhésion entre la fibre et la matrice sur les

propriétés du vieillissement. La Figure 2.2 montre l'effet du type de fibre Uute ou lin) et

leur différence au niveau des propriétés mécaniques sur la courbe d'amortissement en

fonction des cycles de charge maximale appliquée pour les composites à base d'époxydes

renforcées avec des fibres unidirectionnelles. La charge est d'environ 45 N/mm2 pour des

composites époxydes-jute. Au-dessus de cette charge critique, la SDC (le déficit

d'énergie/l'énergie de pression) augmente continuellement en raison de la propagation

des dommages jusqu'à ce que la rupture se produise à un chargement cyclique maximale

de 120 N/mm2 de la SDC (la courbe de charge unidirectionnelle du composites époxy

lin). Elle semble être assez similaire à celle du composite époxy-jute, mais avec des

valeurs nettement plus élevées de SDC. Les différences observées dans le comportement

des matériaux pour le composite époxyde-jute et pour le composite époxyde-lin, peuvent

être le résultat de la structure de la fibre dans le comportement sur la pression. li est bien

connu que le vieillissement des fibres dans le composite augmente avec la diminution du

module des fibres et que, si la matrice a un moindre défaut, le dommage de la matrice se

produira dans les composites unidirectionnels dans le sens des fibres. Comme conclusion,

on peut dire que la résistance des fibres et le module influence la charge critique pour les

dommages, le taux de propagation et la charge maximale dans les composites

unidirectionnels.

41

0.2 UnidlfeCtlonam epoxy DaSéO

~ composites

0 .15 • !-IID< f lDllrs (\If O.34} ~ • u o te fibers Cv" - 0.36) ...

~ Ofl

0

~ .. ~ !E

!! 0,05 fA

0 0 ~u 4U W tiU 100 ~u 14U

AppIied ax. L.oad ri mm21

Figure 2.2 Amortissement spécifique en fonction de la charge maximale pour le lin et le

jute pour des conditions de 104 cycles de charge / niveau de charge [29].

Varada Rajulu et al.[30] ont étudié la résistance à la traction de l'époxyde renforcé

avec Hildegardia populifoUa. Le tissu de Hildegardia (0,1 mm d'épaisseur) a été extrait

des branches de son arbre. Une certaine quantité de tissu a été traitée avec 2% de solution

aqueuse de NaOH pour éliminer l'hémicellulose et d'autres matières grasses. Certains

tissus ont été pulvérisés avec 1 % de silane comme agent de couplage dans l'acétone et

séché. Le tissu a ensuite été enduit avec un rouleau de résine époxy. Les spécimens ont

été testés en tension à une vitesse de 50 mm/min. Les propriétés mécaniques avec ou sans

agent de couplage sont présentées dans le Tableau 2.2. Les résultats montrent clairement

que toutes les propriétés augmentent avec le traitement.

42

Tableau 2.2 Effet du traitement chimique sur les propriétés en traction pour les tissus de

Hildegardia populifoUa en renfort pour les résines époxydes [30].

Ultimate Tensile Elastic Elongation at

Hildegardia Strength (MPa) Modulus (GPa) Break (0/0)

Fabric WOCA WCA WOCA \VCA WOCA \VCA

Untreated ï5 .8 2.45 3 .1 2% NaOH treated 112.1 2 .70 ' 4 .4 Untreated ana 6'9 .9 .8 2.4 2.03 3 . 3.6 QPO~ oCC!AtAc1

2% NaOH treated 129.4 100.2 2.75 . 2.1 3 7.6 5.0 and epoxy ooated

WOCA:. Wih out ooupling agent" WCA:. With coupling agent.

Sapuan et al.[31] ont déterminé les propriétés mécaniques de l'époxyde renforcé

avec des fibres de noix de coco. Un ratio résine:durcisseur de 5: 1 a été utilisé et les

composites contiennent 30% de fibres. Cette étude se composait de trois types de

stratifiés. Les résultats des tests de traction et de flexion sont présentés dans le Tableau

2.3. Les résultats indiquent que la résistance à la traction et à la flexion de l'époxyde

renforcée avec des fibres de noix de coco a été plus élevée dans le cas de traitements avec

du NaOH, mais a diminué avec la présence des agents de couplage.

Tableau 2.3 Résistance à la traction et à la flexion de composites renforcés avec des

fibres de noix de coco [31].

Mean Standard deviation Min ~1.ax

Tensile te t of tmn samples of spathe (IFS) t\1aximum load 57.40 17.30 40.00 81. 0 ~train al. break % 2.44 0.77 1.22 3._8 Stress al maXIDlllm load Cf'.1Pa ' 1.65 0.50 1.15 '"',

_ .~ -'

Tensile test of '5pathe-fibre reinforced composi:es (n=3) ~1aximwl1 load (kN) L~5 0.27 1.05 1.

r _

Strain al. break (%) 0.009 0.002 0.008 0.01 tœss at maxÎmlUll load (11Pa) 9.33 1.98 7.87 11.-9

Flexural test of spathe,-fibre reinforc.ed c.omposites (n=S) r..1aximwn load (N) 183.3 65.2 106.8 ', . .19.9 Strain al bre.ak 1 %) 0.102 0.018 0.08 0.12

tress at maxÎmlUll load ~Pa 41 98 1 '".64 _ -.64 67.17

43

Maleque et al.[32] ont testé la résistance à la traction des composites d'époxyde

vierge et renforcé avec des pseudo-tiges de banane. Les fibres séchées étaient tressées

dans un tissu qui a été utilisé pour renforcer la résine époxyde. Les tests de résistance à la

traction montrent pour les résines époxydes des valeurs de 24 MPa et pour la résine

renforcée avec des fibres de banane de 46 MPa donnant une augmentation de 90% pour la

résistance à la traction. Pour le module de Young, la résine vierge a une valeur de 1390

MPa alors que l'époxyde renforcé avec des fibres de qanane possède une valeur de 1890

MPa, donc, une augmentation de 36%. Pour la résistance à la flexion, on obtient que la

valeur passe de 53 MPa pour la résine sans fibre à 74 MPa pour la résine époxyde

renforcée avec des fibres de banane, ce qui donne une augmentation de 38%. Pour le

module en flexion, une valeur de 1563 MPa pour la résine vierge augmente à 1835 MPa

pour la résine époxyde renforcée avec des fibres de banane, ce qui donne ' une

augmentation de 17%.

Sastra et al.[33] ont investigué .les propriétés en traction de résines époxydes

renforcées avec des fibres d' Arenga pinnata. Les fibres ont été mélangées avec des

résines époxydes à différentes concentrations en poids: 10, 15 et 20%. Le rapport entre la

résine époxyde et le durcisseur pour cette étude a été de 4: 1 en poids. Les spécimens ont

été testés à une vitesse de 5 mm/min. Pour les échantillons de fibres longues d'Arenga

pinnata, un accroissement du pourcentage de fibres de 0 à 15% donne une augmentation

régulière de la résistance à la traction de 3~ MPa à 50 MPa. Néanmoins, l'augmentation

du pourcentage de fibres à 20% entraîne une diminution de résistance à la traction à 31

MPa. On observe donc une diminution dans la force de résistance à plus de 15% en fibre

parce que l'arrangement des fibres dans le volume de la matrice est non uniforme.

Les mêmes auteurs, ont investigué les propriétés en flexion pour les résines

époxydes renforcées avec les fibres d'Arenga pinnata [34]. Ces expériences ont été

effectuées à l'aide de la méthode en trois points conformément à la norme ASTM D790-

99 avec une vitesse de 1 mm/min. La résistance à la flexion de résine . époxyde vierge est

d'environ 77 MPa. Pour les échantillons de fibres longues d'Arenga pinnata, un

accroissement du pourcentage de fibres de 0 à 15% donne une augmentation régulière de

44

la résistance à la flexion de 77 MPa à 97 MPa. Néanmoins, l'augmentation du

pourcentage de fibres à 20% entraîne une diminution de la résistance à la flexion à 79

MPa. On observe donc une diminution dans la force de résistance à plus de 15% en fibre.

Low et a1.[35] ont étudié la fabrication et les propriétés des composites époxydes

renforcés avec des fibres recyclées de cellulose. Pour y arriver, ils ont utilisé deux classes

de fibres de cellulose recyclée obtenue du papier avec deux densités différentes et une

longueur moyenne de 250 J.!m avec un diamètre de 5 Jlm. Dans le Tableau 2.4, on

présente la composition de l'époxyde seule et aussi de l'époxyde renforcée avec la

cellulose recyclée (RCF) de deux grades différents (RCF 135 avec une densité surfacique

de 0,135 kg/m2 et RCF 440 avec la densité surfacique de 0,440 kg/m2. Le Tableau 2.5

rapporte les valeurs de la résistance à la flexion (aF), du module en flexion (EF), de la

résistance à la rupture (KIC), de la résistance aux chocs (al) et de la' résistance à l'impact

(GIC) pour de l'époxyde seul et aussi de l'époxyde renforcé avec la cellulose recyclée

(RCF) de deux grades différents (RCF 135 et RCF 440). Dans ce dernier cas, on présente

les propriétés mécaniques d.u RCF 440 avec deux types de feuilles: normales (RCF 440-

n) et parallèles (RCF 440-p). On remarque des améliorations importantes dans les

propriétés à la rupture avec l'augmentation modérée des propriétés en flexion, par le

renforcement des résines époxydes avec des fibres de cellulose recyclées.

Tableau 2.4 Composition de résines pures et renforcées avec cellulose [35].

Saluple Grade.ofRCF RCF heefs Epoxy (g'tn- ) (\vt%) (",rfOlÔ

Ptu'e EpoÀyr 0 100

RCF 135 135 30 , 70

RCF440 440 30 70

45

Tableau 2.5 Propriétés mécaniques des résines pures et renforcées avec de la cellulose

[35].

Sal11ple

Pure Epox) ----~--------+_--------~--------_+--------_4--------~

RCF135

RCF 0 (n --~~--------+_--------~--------_+--------_4--------~

RCF440 (p --~~--------~--------~--------~--------~--------~

R C.F beet nortnal or parallel (p to the applied load.

George et al. [36] ont caractérise les propriétés mécaniques des époxydes

renforcées avec des fibres de lin. Différents traitements ont été utilisés afin de modifier

l'interface fibre-matrice et des tests en traction avec une vitesse de 1 mm/min ont été

faits. Les résultats montrent que l'ajout de 35% de fibres de lin donne une augmentation

de 20% du module en traction comme dans la Figure 2.3. L'ef~et des différents

traitements chimiques sur la résistance à la traction pour l'époxy composite renforcé avec

de fibres de lin est présenté dans Tableau 2.6.

10 20 30 4 0

F ibre Vol. F ractio n (%)

Figure 2.3 Effet de la concentration en fibres de lin sur la résistance à la traction [36].

46

Tableau 2.6 Effet du traitement chimique sur les propriétés en traction des résines

époxydes renforcées avec des fibres de lin [36].

Fibre T ensl e Strength Tensile Modulus Imlpact Strength

MPa (GP a kJi/m2)

U treated 53.40 ± 1.85 7.86 ± 0.83 10.47 ± .11

NaOH 1.00/0) 60.18 - 1.83 9.21 ± 0.50 13.09 - 1.59

Silane 62.54 ± 1.63 9.83 ± 0.42 8.41 ± 0.20

PHI 61 .04 ...!.. 1.71 9 .. 55 ± 0.73 8.65 _ 0.61

Si/Epoxy 57.79 ± 2.22 8.59 ± 0.81 13.69 = 0.60

NR - 2.89 ± 0.11 18.43 _ 0.40

EN R 52.31 - 1.91 8.48 ± 0.43 9.69 _ 0.50

TI est clair que dans la plupart des cas, une amélioration est observée.

L'augmentation est significative dans le cas de traitements avec du silane. Au cours du

traitement alcalin, les cires, l'hémicellulose et une partie de la lignine présents en surface

des fibres sont supprimées. L'élimination de ces composés améliore la rugosité de la

surface, ce qui permet la formation de liaisons covalentes fortes entre l'iso cyanate et les

groupes hydroxyle de la cellulose, conduisant à une amélioration significative . des

propriétés mécaniques.

Osman et al.[37] ont étudié les propriétés mécaniques de résine époxyde renforcée

par des fibres unid~rectionnelles de sisal fabriquées par RTM qui est un processus de

moulage par injection de résine à basse pression. (Resin Transfer Molding). Une couche

de fibres séchées est placée dans une cavité de moule qui est ensuite fermée et des résines

époxydes sont injectées. Les époxydes composites renforcés avec des fibres de sisal ont

été moulées et les propriétés mécaniques ont été comparées à celles des fibres de verre et

r--------- - - - - - -~- ~ ~

47

des fibres de lin. Les propriétés des composites renforcées avec des fibres dépend de la

qualité de la fibre (variations microstructurales, état des dommages), mais également du

fait que les fibres sont testées de différentes façons. Une augmentation de la longueur

diminue la force des fibres parce que le nombre de défauts est plus élevé. ils ont

également démontré que la résistance des fibres techniques n'est pas uniforme sur toute la

longueur de la fibre. Les fibres prises de la racine (partie inférieure de la plante) sont

moins résistante à la traction.

Les propriétés mécaniques telles que la densité et la géométrie de différentes

fibres sont présentées dans le Tableau 2.7 et le Tableau 2.8 présente l'effet des fibres de

sisal sur la résistance à la traction et le module Young de résines époxydes.

En conclusion, on peut dire qu'une distribution plus uniforme des fibres et

l'amélioration de l'adhésion fibre-matrice peuvent améliorer la résistance des composites

d'époxyde-sisal. De plus, la résistance des composites de fibres naturelles n'atteint pas le

niveau des composites à base de fibres de verre pour une même concentration.

Néanmoins, les époxydes composites renforcés avec des fibres de sisal ont une meilleure

résistance que les époxydes renforcés avec de la fibre de lin. Le sisal est également moins

dispendieux que le lin, ce qui est doublement intéressant.

Tableau 2.7 Propriétés mécaniques des fibres de sisàl et de lin en comparaison avec les

fibres de verre [37].

Strain to E-moduhlB

Fiber Type (GPa)

GIa 72 2000- 3400 1.8-3.2 45-100 600- 1100 1.5- 2.4

7-20 400- 700 2- 14 24 ± H 550 ~ 100 2.4 ± 0 .4

Fiber' ingle Fiber Lengt.h Lengtb (mm) mm)

Cont.inuous 300- 900 13- 70. 500-1000 1--8

Single Fiber Diamet~r

(p.m

10 10--.30 10--40

Ceu Wall

2.56 1.4- 1.5

1-1.45 1.37

r------------~ -~~ ~ - ~~ -~

48

Tableau 2.8 Propriétés mécaniques de résine époxyde vierge et renforcé avec différentes

concentrations de fibres de sisal [37].

pecific trength

ample fPalg cm- )

76 66 69 (±23 146

3 {_ 16 1 7 211 (± 12 t 0

T, ile ~odul (GPal

3 1-3.2 14.2 14.5

2.7 122 124 16

Elongaticn at.Br al

7.3 2.3 2.2 1.9

Gikuru et al.[38] ont étudié l'influence des fibres de sisal sur les propriétés en

traction et en flexion pour les composites époxyde-sisal. Les spécimens ont été testés à

une vitesse de 0,03 mm/min et les résultats des tests en traction sont présentés dans la

Figure 2.4 en fonction du pourcentage de fibre et de leur longueur. La plus forte

augmentation est de 79,5% et a été enregistrée pour une concentration de 2% de fibres

longues. Le module d'élasticité est présenté à la Figure 2.5.

55

+lÔmm "'20 'mm ~~OO

1 1,5 2 %:Mus ofdsal tIbJe

Figure 2.4 Contraintes en traction pour les résines époxydes renforcées avec des fibres de

sisal de longueurs différentes [38].

49

7

o+-----~----~------~------------o as 1 1..5 2 ~ 11'IgdQn or· Jltœ

Figure 2.5 Module d'élasticité en fonction de la concentration de fibres de sisal [38].

On observe que le module élastique pour les résines sans fibre a la valeur la plus

basse (2.77 GPa) et le module augmente avec la présence de fibres pour atteindre un

optimum.

2.4 Conclusion partielle

Comme il a été présenté dans ce chapitre, on constate qu'il existe un grand

nombre des chercheurs qui ont étudié une très grande variété de procédés et de produits

pour renforcer les résines époxydes.

À travers tous ces articles, on remarque que l'utilisation de différentes fibres

comme renforts pour les résines époxydes apporte de meilleures propriétés mécaniques et

ces mêmes propriétés sont améliorées avec l'augmentation de la concentration de fibres.

Les propriétés mécaniques varient beaucoup en fonction du type de fibre utilisé (verre ou

naturelle) et aussi de leurs longueurs. TI faut mentionner qu'il existe beaucoup d'autre

type de fibres pouvant renforcer les résines époxydes (bore, carbone, kevlar, etc.).

50

Le Protocole de Kyoto sur les changements climatiques mondiaux a eu pour effet

d'accélérer la transition vers une économie durable et plus respectueuse de

l'environnement en remplaçant progressivement des produits pétrochimiques par des

ressources renouvelables, telles que les fibres naturelles qui se trouvent en abondance

dans la nature. Pour cette raison, de nombreuses recherches ont porté sur l'utilisation des

fibres naturelles comme renforcement des résines époxydes ces dernières années.

Néanmoins, il y a encore de nombreux obstacles à surmonter pour arriver à des résultats

satisfaisants. Pour y parvenir, il faudra d'abord examiner la nature des interactions entre

la résine époxyde et le durcisseur, ainsi que ses répercussions sur les propriétés

mécaniques du matériau. Ensuite, il faudra s'attarder aux effets des fibres naturelles sur la

résine époxyde. Le but premier d'incorporer des fibres dans une matrice composite est de

transférer la charge du matériau le plus faible au matériau le plus fort. Les fibres

naturelles améliorent non seulement la rigidité des matériaux, mais elles modifient

également les interfaces résine époxyde/durcisseur. Ceci permettra en effet de mieux

coniprendre les résines époxydes, l'orientation des fibres dans les résines, la morphologie

cellulaire et les propriétés mécaniques des échantillons produits.

51

Chapitre 3

Matériaux et Méthodes Expéritnentales

Cette section a comme objectif de définir la démarche expérimentale utilisée afin

de mener à bien cette étude. Pour y arriver, il faudra d'abord définir les caractéristiques

des matériaux utilisés. Ensuite, les étapes de la mise en œuvre seront expliquées afin

d'assurer la reproductibilité des résultats. Cette portion a également comme utilité de

connaître les techniques utilisées pour faire les mélanges de résines époxydes avec des

fibres naturelles. Enfin, il sera également question des méthodes de caractérisation

morphologique et mécanique des échantillons. Comme cette étude a pour but principal

d'étudier l'effet du type et de la concentration des fibres naturelles sur des résines

époxydes, un plan expérimental complet comportant 64 expériences a été mis au point.

(Tableau 3.1). Au total, 50 échantillons ont été produits pour chacune des conditions

énumérées.

Tableau 3.1 Plan expérimental.

Paramètres Unités Niveaux indé endants

Résines Epon 828 BE 188

Durcisseurs Anquamine 401 Anquamine 701

Fibres naturelles Bois Sisal Lin Chanvre

Teneur en fibre % poids 0 10 20 30 naturelle

52

3.1 Description des matériaux

3.1.1 Résines

Les résines utilisées dans ce projet sont un mélange de polymère

d'épichlorhydrine et de bisphénol A. On a choisi deux polymères liquides à la

température de la pièce.

La première résine est l'Epon(TM) Resin 828 (Annexe A) qui est un polymère

d'épichlorhydrine et de bisphénol A (100%), produit par Resolution Performance

Products LLC (Houston, Texas, USA). Sa densité est 1,17 g/cm3.

La deuxième résine est le BE 188 (Annexe B) qui est aussi un polymère

d'épichlorhydrine et de bisphénol A (60-100%), produit par Quadra Chemicals LTD.

(Vaudreuil-Dorion, Québec, Canada). Sa densité est 1,16 à 1,18 g/cm3.

3.1.2 Durcisseurs

Les durcisseurs choisis sont des polyamines à base d'eau avec une densité de 1,10

g/cm3. Ces polyamines sont des produits liquides moins polluants et l'impact

environnemental est moindre.

La première résine est l' Anquamine 401 (Annexe C) qui est une amine utilisée

comme durcisseur avec une composition de [polymère de polyamine (40-70%); poly(oxy

(méthyl-1 ,2-éthanediyl), alpha(2-aminométhyléthyl)-omega(2-aminométhyléthoxy) (3-

%); tétraéthylènepentamine (1-5%)] de Air Products and Chemicals (Allentown,

Pennsylvania, USA). Sa densité est 1,09 g/cm3 (68.0 Ib/ft3) à 21°C (700 P).

La deuxième résine est l'Anquamine 701 (Annexe D) qui est aussi une amine

utilisée comme durcisseur avec une composition de [Polyamine - Epoxy Resin Adduct

«60%)] de Air Products and Chemicals (Allentown, Pennsylvania, USA). Sa densité est

1,10 g/cm3 (68.7 Ib/ft3) à 21°C (700 P).

53

3.1.3 Fibres naturelles

La fibre de bois utilisée est le bouleau jaune parce qu'elle est abondante, peu

dispendieuse et contient relativement peu d'espèces volatiles. Le bouleau est relativement

léger sans comporter de résidus résineux. Ces résidus sont difficiles à extraire du bois et

. leur présence . modifie les propriétés des composites. Les fibres de sisal d'International

Fiber Corporation (Tonawanda, New York, USA), les fibres de lin de Stemergy

(Delaware, Ontario, Canada) et les fibres de chanvre de Stemergy (Delaware, Ontario,

Canada) ont aussi été utilisées. Les fibres ont été tamisées afin d'en contrôler la

granulométrie. Pour les fibres d'une longueur de 300-600 ~m utilisées dans les sept

premiers tests, la distribution de la taille des particules est illustrée dans la Figure 3.1.

60

50

,.-., 40 ~ ~ 0() ~ ...... 30 = ~ C.J &.. = = ~ 20

10

0

••••• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •••••• 1 1

200 300 400 500 600 Dimension des fibres (Jlm)

700

Figure 3.1 Distribution de la taille des particules pour les fibres longues (300-600 ~m).

Pour avoir une meilleure comparaison en fonction de la longueur des fibres, on a

fait des tests complémentaires avec des fibres tamisées entre 125 et 300 ~m. Ces fibres

ont été obtenues en broyant les fibres de 300-600 ~m. Pour les fibres d'une longueur de

54

125-300 ~m utilisées dans les quatre dernier tests, la distribution de la taille des particules

est illustrée dans la Figure 3.2.

60~----------------------------------------------------~

•••• • • • • 50 • • • • • • • • ~ 40 ~ ---QJ ~ ~

30 ~ = QJ ~

""" = Q

~ 20

• • • • • • • • • • • • • • • • • • 10

• • • •• • • •• • •• O~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320

Dimension des fibres (Jlll1)

Figure 3.2 Distribution de la taille des particules pour les fibres courtes (125-300 ~m).

3.1.4 Autres produits

On a choisi deux solvants différents pour réussir à réduire la viscosité des

polymères. Le premier solvant est l'Epodil 748 (Annexe E) qui a une composition de

[Alkyl C12-C14 glycidyl éther (100%)] de Air Products and Chemicals (Allentown,

Pennsylvania, USA). Sa densité est 0,89 g/cm3 (55,6 Ib/ft3) à 21°C (70°F). Le deuxième

solvant est l'Alcool benzylique (Annexe F) qui a une composition de [Alcool benzylique

(98-100%), Benzaldéhyde (0-0,3%), Dibenzyl éther (0-1,5%) et Eau (0-0,2%)] de

Phancorp Inc. (Toronto, Ontario, Canada). Sa densité est 1,044 g/cm3.

Un surfactant a été utilisé pour aider au nettoyage: l'Alkasurf CO 720 (Annexe G)

qUI possède une composition de [Nonylphénol polyéthoxylate (99,5%)] de Stochem

55

Speciality Chemicals une Division de Univar Canada Ltd. (Richmond, British Columbia,

Canada). Sa densité est 1,06 g/cm3 à 25°C.

Dans le dernier cas, on a utilisé un nanoadditif pour voir son effet sur l'adhérence

entre les fibres et matrice. Le Hi-Sil T -700 (Annexe H) [Hydrated, Amorphous Silica

(>87%)] est produit par PPG Industries Inc. (Pittsburgh, Pennsylvania, USA).

3.2 Procédure expérimentale

3.2.1 Fabrication des échantillons

Pour la mise en œuvre des résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles,

il faut généralement sécher d'abord les fibres afin de minimiser le dégagement d'eau et

de produits volatils lors du mélange. Comme les durcisseurs sont des produits solubles

dans l'eau et · que de l'eau est présent dans le processus de fabrication, il n'a pas été

nécessaire de sécher les fibres naturelles car la quantité d'eau incorporée aux fibres est

faible et n'aura pas une grande influence sur les résultats finaux.

Le procédé de fabrication des échantillons comporte quatre étapes:

1) le mélange des résines, durcisseurs et fibres naturelles: les fibres sont donc

. mélangées à la résine et au durcisseur dans un bécher. Le durcisseur est incorporé

premièrement, bien mélangé avec la · résine et dernièrement on ajoute les fibres

naturelles en mélangeant pour avoir un mélange le plus homogène possible.

2) le moulage dans un moule rectangulaire de 275 mm de longueur, 215 mm de

largeur et 3 mm d'épaisseur. On verse le mélange de résine, durcisseur et fibres

naturelles dans la moule jusqu'à ce qu'il soit rempli.

3) la cure du mélange s'est fait pendant 30 jours dans des conditions normales de

température (22°C), de pression (1 atm) et de taux d'humidité (60%).

4) le découpage des échantillons s'est fait à l'aide d'une presse hydraulique

manuelle.

56

'3.2.2 Découpage des échantillons

Différentes méthodes ont été testées afin de préparer les échantillons pour les

différents tests à réaliser. Ceci est nécessaire, car chaque type de caractérisation nécessite

. des géométries et des tailles différentes.

Pour ce qui est des analyses mécaniques, on a utilisé un découpage mécanique à

l'aide d'un poinçon de forme appropriée et d'une presse manuelle. Pour les tests de

flexion et de torsion, une forme rectangle de 9,5-10,5 mm de largeur (B) et 50-70 mm de

longueur (A) est utilisée comme le montre la Figure 3.3. L'épaisseur (C) dépend de

l'échantillon, mais se situe entre 1,5 et 3,5 mm dans notre cas.

A

Figure 3.3 Dimensions des échantillons pour les tests de torsion et de flexion.

Pour les tests de traction, la norme ASTM D638 [39] a été choisie avec une

géométrie en « os de chien» du type IV tel qu'illustré à la Figure 3.4. Les dimensions en

mm sont: A = 45, B = 2,8-3,2 et C = 1,5-3,5.

57

B

Figure 3.4 Dimensions des échantillons pour les tests de traction.

3.2.3 Densité

Pour le calcul de la densité, on a utilisé une balance analytique, un. ballon gradué

de 25 ml et du méthanol. Un exemple de calcul est présenté ici pour le test T Il.1.

T = Tare

= 20.4348 g

m 1 = m ballon + m échantillon

= 21.8532 g

m 2 = m ballon + m échantillon + m CH3 OH

= 40.6761 g

Vb = Volume ballon

= 25 cm3

m 2 - m 1 = m CH3 OH

= 40.6761 - 21.8532

= 18.8229 g

m 1 - T = m e (masse échantillon)

= 21.8532 - 20.4348

= 1.4184 g

P CH3 OH = m CH3 OH 1 V CH3 OH

P CH3 OH = 0.792 g/cm3

V CH3 OH = m CH3 OH Ip CH3 OH

= 18.8229 10.792

= 23.76629 cm3

V e (volume échantillon) = V b - V CH3 OH

= 25 - 23.76629

= 1.23371 cm3

p e (densité échantillon) = me (mase échantillon) 1 V e (volume échantillon)

= 1.41841 1.23371

= 1.15 g/cm3

3.2.4 Morphologie

58

On a utilisé un microscope électronique à balayage (Scanning Electron

Microscopy) de marque JEOL modèle JSM840A (voir Figure 3.5) pour caractériser la

morphologie des échantillons et la distribution de taille des fibres. La microscopie

électronique à balayage est une technique de microscopie basée sur le principe des

interactions électrons-matière, capable de produire des images en haute résolution de la

surface d'un échantillon. Le principe du MEB consiste en un faisceau d'électron balayant

la surface de l'échantillon à anal yser qui, en réponse, réémet certaines particules. Ces

particules sont analysées par différents détecteurs qui permettent de reconstruire une

image en trois dimensions de la surface.

59

Figure 3.5 Microscope électronique à balayage (Scanning Electron Microscope).

3.2.5 Tests mécaniques

3.2.5.1 Tests en flexion

Un appareil de caractérisation universelle de marque Instron et modèle 5565 a été

utilisé pour la caractérisation mécanique des échantillons en flexion (Figure 3.6).

L'appareil est couplé à un ordinateur de contrôle et au logiciel Merlin pour analyser les

données.

60

Figure 3.6 Instron modèle 5565 au laboratoire du Département de chimie.

Les tests en flexion ont été réalisés à l'aide d'une cellule de 50 Newtons. Les tests

utilisent un montage à trois points de contact tel que montré à la Figure 3.7. La vitesse de

déformation était de 5 mm/min, la température ambiante et les dimensions typiques pour

la longueur, la largeur et l'épaisseur des échantillons ont été présentées à la Figure 3.3.

61

Figure 3.7 Géométrie à trois points de contact pour les tests en flexion.

Selon le standard ASTM D790 [40], on peut ~alc\ller le module en flexion par:

(3.1)

Avec

Eb = module d'élasticité en flexion (MPa),

L = distance entre les supports (mm),

b = largeur de l'échantillon (mm),

d = épaisseur de l'échantillon (mm),

m = pente initiale de la droite (N/m).

62

Dans ce travail, la distance entre les deux points de support L a été de 60 mm. La

valeur de la pente m de la droite « force versus extension» a été calculée pour de faibles

extensions. On a choisit un intervalle constant ce qui correspond à des extensions entre

0,12 et 1,5 mm (voir Figure 3.8).

35 ~--------------------------------------------------------~

30

25

10

5

1 2 3 4 5 6 7

Extension (mm)

Figure 3.8 Courbe typique de force en fonction de la déformation pour un test de flexion.

3.2.5.2 Tests en torsion

Un rhéomètre ARES a été utilisé pour effectuer des tests en mode de torsion

rectangulaire (Figure 3.9). Cet instrument permet de faire des balayages en déformation

et en fréquence sur des échantillons rectangulaires fixés par une géométrie spéciale. Les

tests sont contrôlés par un ordinateur, puis analysés par le logiciel RSI Orchestrator

version 6.5.3.

63

Figure 3.9 Rhéomètre ARES pour les tests de torsion rectangulaire au laboratoire de

génie chimique.

L'anal yse en torsion a été effectuée à l'aide d'un rhéomètre muni d'un mandrin

pour la torsion rectangulaire. Les échantillons étaient coupés en forme rectangulaire avec

des dimensions typiques présentées à la Figure 3.3.

Tous les tests en torsion rectangulaire ont été faits à la température ambiante de

(23°C). Premièrement, la fixation de l'échantillon est faite en compression (Figure 3.10).

Le mandrin supérieur de l'ARES est descendu jusqu'à l'application d'une force de 200 g

sur le spécimen. Les mandrins ont été munis de pinces de serrage à fermeture variable

afin d'assurer un contact parfait avec les échantillons d'épaisseur non-standard. Une fois

fixé, l'échantillon est soumis à 200 g en tension. Les tests peuvent débuter si le montage

n'exerce aucune contrainte initiale en torsion sur la pièce.

64

Figure 3.10 Dispositif de fixation pour les échantillons en torsion rectangulaire.

On effectue d'abord un balayage en déformation à une fréquence de 1 radis dans

le but d'identifier la zone linéaire viscoélastique. Un exemple est présenté à la Figure

3.11 où une déformation maximale de 0,9% doit être utilisée. Pour conserver une marge

de sécurité, une déformation de 0,7% a été choisie. Connaissant cette valeur, ceci permet

de tester les échantillons en déformation élastique seulement pour effectuer des balayages

en fréquence afin d'obtenir les modules de torsion élastique (G'), visqueux (G") et

complexe (G*). À cette fin, cinq répétitions pour chaque échantillon ont permis de

calculer les moyennes accompagnées de leur écart-type respectif.

440

420

400 ~

C'd ~

~ 380 '-"

QI ..... = 360 "C 0

~ '340

320

300 0.0

Elastique

0.5

Valeur de la déformation

utilisée

0.7

Plastique

Tl

1.0 1.5 2.0

Déformation (%)

Figure 3.11 Résultats typiques d'un balayage en déformation pour un test en torsion.

3.2.5.3 Tests en traction

65

2.5

Un appareil de caractérisation universelle de marque Instron et modèle 5565 a été

utilisé pour la caractérisation mécanique des échantillons en traction (Figure 3.6).

L'appareil est couplé à un ordinateur de co~trôle et au logiciel Merlin pour analyser les

données.

En complémentarité avec les tests en flexion et torsion, les tests en traction

permettent d'étudier les résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles à de hautes

contraintes en déformation; c'est-à-dire bien au-delà du seuil d'élasticité. L'éprouvette

utilisée cette fois possède la forme d'un os de chien (Figure 3.4) et le montage est

présenté dans la Figure 3.12. Les tests ont été effectués avec une cellule de 500 Newtons.

66

Figure 3.12 Dispositif de fixation pour les échantillons en traction.

La vitesse de déformation utilisée était de 1 mm/min, ce qui est une faible vitesse

pour des résines époxydes. Le module en tension est calculé par la pente de la courbe

contrainte-déformation (Figure 3.13).

61

18

16

14 L'intervalle de calcul

~

~ 12 ~

< ::>

~ '-" 10

QJ ...... = .,....,. ~ 8 ~ ...... = 0 6 U

4

2

0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018

Déformation (-)

Figure 3.13 Courbe typique de contrainte-déformation pour des tests en tension.

Les tests en traction ont pour but de quantifier le module élastique (E), la contrainte

maximale (Jm) , ainsi que la contrainte à la rupture (Jr) , de même que la déformation à

laquelle se produisent ces contraintes (Bm et Br respectivement). Encore une fois, cinq

répétitions par échantillon ont été jugées suffisantes afin d'obtenir des moyennes

accompagnées de leur écart -type respectif.

68

Chapitre 4

Résultats et Discussion

La caractérisation des résines époxydes renforcées avec des

être divisée en deux volets. D'abord, l'étude microscopique corn

morphologie, de la densité et des dimensions des fibres natur

mécaniques sont étudiées dans le second volet. li s'agit ici de caract

selon leurs propriétés en flexion, torsion et traction. Dans les pages

aspects abordés seront analysés de façon à déterminer l'effet des ré

fibres naturelles peut

prend l'analyse de la

elles. Les propriétés

ériser les échantillons

qui suivent, tous les

sines époxydes et des

fibres naturelles sur ces matériaux composites.

cipaux: premièrement Nous avons concentré notre recherche sur deux aspects prin

on a employé quatre types de fibres naturelles (bois, sisal, lin et ch

avec la même résine et durcisseur. Deuxièmement, on a utilisé se

bois (bouleau j aune) comme renfort en changeant à la fois la résin

Tableau 4.1 montre les paramètres étudiés. Comme on peut voir d

utilisé deux types de résine époxyde, deux types d~ durcisseur, un a

anvre) comme renfort

ulement les fibres de

e et le durcisseur. Le

ans ce tableau, on a

dditif et quatre types

des fibres naturelles.

Tableau 4.1 Les principaux tests réalisés pour les fibres de 300 - 60 O~m.

Tests Résine Durcisseur Fibres naturelles Tl E on 828 An uamine 401 Bois

T3 E on 828 An uamine 401 Sisal

T6 E on 828 An uamine 401 Lin

T7 E on 828 Chanvre

T2 E on 828 Bois

T4 BE 188 Bois

T5 E on 828 An uamine 401 + An uamine 701 Bois

-

69

Pour avoir une meilleure comparaison en fonction de la longueur des fibres, on a

fait des tests complémentaires avec les fibres de 125-300 ~m. Ces fibres ont été obtenues

en broyant les fibres de 300-600 ~m. Le Tableau 4.2 montre la liste des paramètres

étudiés.

Tableau 4.2 Les principaux tests réalisés pour les fibres de 125 - 300 ~m.

Tests Résine Durcisseur Fibres naturelles

TIl E on 828 An ' uamine 401 Bois

T14 E on 828 An uamine 401 Sisal T13 E on 828 An uamine 401 Lin

T12 E on 828 An uamine 401 Chanvre

4.1 Analyse morphologique

L'étude du comportement des composites de résines époxydes renforcées avec des

fibres naturelles passent par l'analyse microscopique des échantillons; c'est-à-dire

l'analyse de la morphologie, de la densité et des dimensions des fibres naturelles. Dans

un premier temps, l'étude microscopique des résines époxydes renforcées avec des fibres

naturelles nécessite la photographie de deux ou trois échantillons utilisés dans les tests en

traction. On utilise ces échantillons parce qu'ils nous donnent une bonne idée du

comportement de traction pour des fibres naturelles dans les résines époxydes. Chaque

pourcentage et chaque type de fibres peuvent avoir un comportement différent au niveau

de la rupture dans les tests de traction. Pour y arriver, un grossissement de 2X et 3X ont

été utilisés pour étudier les échantillons contenant 0, 10, 20 et 30% de fibres naturelles.

Les hautes concentrations de fibres compliquent l'analyse parce que le caractère

irrégulier des cassures augmente (plus difficile de bien distribuer les fibres).

70

4.1.1 Taille des fibres

Le but premier de l'incorporation de fibres naturelles dans une matrice de résine

époxyde est de réduire les coûts de production et le second est de transférer la charge du

matériau le plus faible au plus fort. Toutes les fibres incorporées dans la matrice subissent

une certaine dégradation mécanique à cause des types de mélange choisis pour incorporer

les fibres.

Dans notre cas, les fibres sont mélangées avec la résine et avec le durcisseur dans

un bécher. Le durcisseur est incorporé premièrement avant l'introduction des fibres

naturelles. Comme les résines et les durcisseurs sont des produits liquides, le mélange est

fait très facilement avec une spatule. Après ce mélange, la résine et le durcisseur sont

mélangés ensemble pour incorporer les fibres naturelles.

L'addition des fibres se fait en petite quantité en mélangeant à l'aide d' une

spatule. Avec cette méthode de travail, la dégradation mécanique des fibres naturelles

n'est pas très importante et la longueur et le diamètre moyens des fibres naturelles

utilisées pour renforcer les résines époxydes reste presque le même entre le début et la

fin.

On conclut donc que la mise en œuvre ne diminue pas la dimension des fibres

naturelles et ne change pas leur géométrie.

Les micrographies présentées aux Figures 4.1-6 illustrent des morphologies de

résine comme Epon 828 avec le durcisseur Anquamine 401 pour les quatre

concentrations de fibres de bois. Tous les échantillons analysés au SEM ont été obtenus

suite aux tests de traction puisqu'ils permettent de procéder à la microscopie des résines

époxydes renforcées avec des fibres naturelles après la rupture.

Dans les Figures 4.1-6 on observe la présence des différents types des fibres

naturelles dans différentes concentrations comme renforcement pour les résines

époxydes.

71

Figure 4.1 Photos de résines époxydes renforcées avec 10% de fibres de bois (T1.1), sisal

(T3.1), lin (T6.1) et chanvre (T7.1) de 300-600 ~m avec un grossissement de 200X.

Figure 4.2 Photos de résines époxydes renforcées avec 10% de fibres de bois (T1.1), sisal


1

1

i '

72

Figure 4.3 Photos de résines époxydes renforcées avec 30% de fibres de bois (Tl.3), sisal


Figure 4.4 Photos de résines époxydes renforcées avec 30% de fibres de bois (T 1.3), sisal


73


sisal (T14.1), lin (T13.1) et chanvre (T12.1) de 125-300 ~m avec un grossissement de

200X.

Figure 4.6 Photos de résines époxydes renforcées avec 10% de fibres de bois (TIl), sisal

(T14), lin (T13) et chanvre (T12) de 125-300 ~m avec un grossissement de 1000X.

74

On peut voir aux Figures 4.1-6 différents résultats obtenus expérimentalement qui

montrent que les fibres semblent bien encapsulées par la résine époxyde. Pour comparer

plus facilement la morphologie, les échantillons ont été préparés dans les mêmes

conditions de moulage à une température de 20°C. On peut aussi remarquer que les

dimensions des fibres, leur distribution dans l'espace et le nombre de bulles d'air sont

différentes et varient selon la concentration de fibres. Pour les plus grandes

concentrations de fibres et aussi pour les fibres plus courtes, on observe un plus grand

nombre de bulles.

4.1.2 Densité

La valeur de la densité dépend de la concentration et du type de fibres naturelles

incorporées dans la matrice de résine époxyde. Le Tableau 4.3 rapporte les valeurs

obtenues pour les composites produits.

75 '

Tableau 4.3 Densités obtenues pour les différents échantillons en fonction de la

concentration, de la taille et du type de fibre.

Tests Résines Durcisseurs Fibres Logeur Concentration Densité naturelles des fibres de fibre

(g/cm3)

(f.1m) (%)

T1.0 Epon .828 Anquamine 401 Bois 300 - 600 0 1,16

T1.1 Epon 828 Anquamine 401 Bois 300 - 600 10 1,14



T3.0 Epon 828 Anquamine 401 Sisal 300 - 600 0 1,16




T6.0 Epon 828 Anquamine 401 Lin 300 - 600 0 1,16




T7.0 Epon 828 Anquamine 401 Chanvre 300 - 600 0 1,16


T7.2 Epon 828 Anquamine 401 Chanvre 300 - 600' 20 0,91


T2.0 Epon 828 Anquamine 401 + Bois 300 - 600 0 1,14 Hi-Sil T 700




T4.0 BE 188 Anquamine 401 Bois 300 - 600 0 -1,17

76

Tests Résines Durcisseurs Fibres Logeur Concentration Densité naturelles des fibres de fibre

(g/cm3)

(f.1m) (%)

T4.1 BE 188 Anquamine 401 Bois 300 - 600 10 1,14

T4.2 BE 188 Anquamine 401 Bois 300 - 600 20 1, Il

T4.3 BE 188 Anquamine 401 Bois 300 - 600 30 1,08

T5.0 Epon 828 Anquamine 401 + Bois 300 - 600 0 1,16 Anquamine 701


T5.2 · Epon 828 Anquamine 401 + Bois 300 - 600 20 1,12 Anquamine 701












Selon le Tableau 4.3, on remarque que la densité varie entre 0,84 et 1,17 g/cm3

selon la teneur en fibres naturelles. La densité des fibres naturelles étant inférieure à celle

des résines époxydes, leur présence diminue la densité finale de la résine époxyde

renforcée avec les fibres naturelles. On observe que dans notre cas, la densité du

composite diminue avec l'augmentation de la concentration en fibres naturelles et diffère

en fonction du type de fibre utilisé.

77

Pour le reste des discussions, le Tableau 4.3 sert aussi de référence pour la

description des échantillons produits. De façon genérale, la nomenclature TX.Y.Z est

utilisée où X représente la matrice et le type de fibre, Y représente la cùncentration de

fibre divisée par 10 et Z le numéro de répétition.

4.2 Tests mécaniques (fibres de 300-600 f.1m)

De façon générale, la résistance mécanique d'une résine époxyde augmente avec

la teneur en fibres naturelles simplement parce que les propriétés mécaniques des fibres

sont grandement supérieures à celles de la résine [30]. Mais il y a des limites à ce

phénomène puisque les fibres doivent être totalement recouvertes de polymère pour être

efficaces (pour avoir une bonne adhésion). Dans notre cas, des fractions massiques

maximales de 30% des fibres naturelles ont été utilisées pour cette raison. Dans le cas de

nanoadditif on a utilisé 4.6% de Hi-Sil mélangé avec le durcisseur.

4.2.1 Tests en flexion

La Figure 4.7 présente des courbes typiques de force en fonction de la

déformation pour quatre échantillons T1.3, T3.3, T6.3 et T7.3 qui représentent quatre

types de fibres naturelles (bois, sisal, lin et chanvre) utilisées comme renforcement pour

les résines époxydes pour une concentration de 30%. TI est facile de voir que les modules

sont bien différents pour chacun d'eux parce que leur morphologie est différente. À l'aide

de l'Équation (3.1), les modules en flexion sont calculés comme 1295, 1049, 1162 et

1260 MPa, respectivement. On observe que le module en flexion le plus élevé est obtenu

avec les fibres de bois, suivi des fibres de chanvre et de lin. En dernière place se trouve

les fibres de sisal.

35

30

25

..--. Z 20 '-" QJ ~ ..

15 0 ~

10

5

0 0

TI.3 D T3.3 • T6.3 + T7.3

1 2 3 4

Déformation (mm)

78

5 6 7

Figure 4.7 Courbes typiques de la force en fonction de la déformation pour un test en

flexion (30% de fibres). '

À l'aide de l'Équation (3.1), on a calculé les modules en flexion pour les

différentes résines et les différents types de fibres avec les longueurs de 300-600 ~m. La

Figure 4.8 montre bien que tous les modules augmentent avec l'augmentation du

pourcentage de fibres naturelles. Les valeurs rapportées représentent une moyenne d'un

minimum de cinq échantillons. À ce sujet, Gikuru et al.[38] ont aussi démontré que les

fibres de sisal donnent une augmentation du module en flexion avec la concentration des

fibres.

La Figure 4.8 illustre les modules en flexion pour différentes résines époxydes

avec ou sans un nanoadditif en fonction de leur teneur en bois pour les tests Tl, T2, T 4 et

T5 et avec la même résine époxyde en fonction des différentes fibres naturelles comme le

bois, le sisal, le lin et le chanvre dans les tests Tl, T3, T6 et T7.

------- - - - - - - -- - . - -

79

1600 Tl

\l T2 ...-.. D T3 ~ ® ~ 1400 0 T4 ~ '-' ® TS

\l ,.Q • T6 ® ~ + 1 T7 = 0 1200 0 .-~ ~

C + = Q) • ~ 1000 0 ,.....

= D ~ 0

~ D

800

0% 10% 20% 30%

Concentration de fibres naturelles

Figure 4.8 Module de flexion en fonction de la concentration en fibres naturelles (300-

600 ~m).

La Figure 4.8 permet efficacement de comparer les matériaux en fonction des

résines époxydes et des fibres utilisées. On observe que la rigidité des résines époxydes

dépend de la teneur en fibres naturelles. En plus, la présence de Hi -Sil comme

nanoadditif dans la T2 augmente le module en flexion. En général, une augmentation

linéaire est obtenue pour tous les cas étudiés.

La Figure 4.9 montre les comparaisons .entre les résines époxydes selon leur

pourcentage de charge en fibres naturelles en relation avec le pourcentage de

l'augmentation de leur module en flexion par rapport à la résine vierge.

80

80 ,.-..

~ "-'"

= 0 .• ~ 60 Tl QJ

C D T3 = QJ Â T6 QJ + T7 ~

+ = "'C 40 0 Â 8

= "t:S 0 QJ OIJ ~ 20 ~ = QJ D ~ ~

= 0 ~

0 0% 10% 20% 30%


Figure 4.9 Pourcentage de variation du module en flexion en fonction de la concentration

en fibres naturelles (300-600 ~m).

Par exemple, la Figure 4.9 indique qu'une augmentation de 30% de fibres de bois

dans la résine (Tl) nous donne une augmentation de 70% du module de flexion. On

observe que le plus grand module en flexion pour 30% de fibres est obtenu avec la fibre

de bois et le plus faible avec le sisal (T3). Le module en flexion pour les fibres de bois est

31 % plus élevé que pour les fibres de sisal.

La Figure 4.9 permet de conclure que le module en flexion augmente selon

l'augmentation du pourcentage des fibres naturelles et diffère en fonction des types de

fibres ' utilisées.

Dans la Figure 4.10 on présente les comparaisons entre les différents types de

résines époxydes et de nanoadditif selon leur pourcentage de charge en fibre de bois

81

(bouleau jaune) en relation avec le pourcentage de l'augmentation du leur module en

flexion. On observe que le plus grand module en flexion pour différents types de résines

et de durcisseurs est obtenu dans la T5. En plus, la présence de nanoadditif dans -la T2

augmente le module en flexion de 25%.

120

,.-..

~ Tl '-" 100 " T2 = 0 0 T4 .... ~ ® T5 e QI

C

= 80 QI " QI 0

""""'" :1 "'C 60 0 0 e :1

"'C QI 40 el) ~

0 ~

= QI ~ ~ 20 :1 0 ~

0 0% 10% 20% 30%

Concentration des fibres de bois


concentration en fibres de bois (300-600 ~m).

Wetzel et al. [27] ont également étudié le comportement des résines époxydes

renforcées avec des nanoparticules comme Ah03 et Ti02. ils ont constaté que la présence

de nanoparticules dans les résines époxydes améliore le module et la résistance avec la

concentration en nanoparticules .. Pour 10% de nanoparticules, la résistance à la flexion

augmente de 16%. Dans notre cas, on observe que la présence de Hi-Sil T700 dans le T2

donne une augmentation de 25% pour le module en flexion. Cette augmentation demeure

82

constante quand on utilise des fibres de bois.

On observe que le plus grand module en flexion pour les différents types de

résines sans ajouter de fibre de bois est obtenu en utilisant les deux durcisseurs comme

agents réticulants (T5). L'ajout de fibres de bouleau jaune augmente dans tous les cas le

module en flexion.

4.2.2 Tests en torsion

Dans la littérature, aucun article n'a été trouvé au sujet du comportement en

torsion des résines époxydes avec ou sans fibres naturelles. Ce type d'analyse peut

cependant révéler des informations au sujet du transfert de charge de la résine époxyde

vers les fibres. Un balayage en déformation à une fréquence de 1 radis a été initialement

fait dans le but d'identifier la zone linéaire viscoélastique de nos matériaux. Dans le cas

présent, une déformation de 0,7% a été choisie et permet de tester les échantillons en

déformation élastique seulement.

La Figure 4.11 présente des courbes du module de torsion en fonction de la

fréquence pour quatre échantillons T1.3, T3.3, T6.3 et T7.3 qui représente les quatre

différents types de fibres naturelles utilisées comme renforcement pour les résines

époxydes (bois, sisal, lin et chanvre).

83

1000 ~------------------------------------------------~----~

•••••••••••••••••••• ............... ~~~~~ 000 00 0 0 0 0 0

100 0.1

D D D D D

1

Fréquence (radIs) Figure 4.11 Module en torsion en fonction de la fréquence.

10

T1.3 D T3.3 • T6.3 • T7.3

100

Les résultats montrent bien que les tendances sont similaires pour toutes les fibres.

Dans tous les cas, on observe une faible augmentation du module avec la fréquence car

les matériaux sont viscoélastiques. Par contre, on observe que toutes les courbes sont

quasi parallèles. Dans ce cas, il est possible de faire des comparaisons en utilisant

seulement une seule fréquence. Ici, on utilise 1 rad/s.

Suite à cette analyse, la Figure 4.12 illustre les modules en torsion pour différentes

résines époxydes avec ou sans agent de couplage en fonction . de leur teneur en bois dans

les tests Tl, T2, T4 et T5 et avec la même résine époxyde en fonction des différentes

fibres naturelles comme le bois, le sisal, le lin et le chanvre dans les tests Tl, T3, T6 et

T7.

84

800

Tl

" Tl.

700 D T3

~ 0 T4

~ 0 TS ~ ~ Â T6 '-" • T7 • = 600 0 0 .-r.Ij 0 ~ 0 • ~

= ~ 500 • ~

" ...... = 0 "'C D 0

~ i 400 •

300 ~----------------~--------------~~--------------~ 0% 10% 20% 30%


Figure 4.12 Module en torsion en fonction de la concentration de fibres naturelles (300-

600 ~m).

A véc ces résultats, la Figure 4.13 montre les comparaisons entre la résine époxyde

selon leur pourcentage de charge en fibres naturelles de divers types en relation avec le

pourcentage de l'augmentation de leur module en torsion.

85

100

.--.. ~

Tl '-"

= 80 D T3 0 . .,. Â T6 rLJ

~ • 0 T7 ..... = QJ 60 QJ --= "t:S 0 8 = 40

"'C QJ 0lJ ~ ..... + = QJ ~ 20 ~ = D 0 ~

o~------------------~----------------~----------------~

0% 10% 20% 30%



concentration de fibres naturelles (300-600 ~m).

La Figure 4.13 permet de conclure que le module en torsion augmente aussi de

façon linéaire avec ~'augmentation du pourcentage des fibres naturelles. La variation

diffère aussi en fonction du type de fibres utilisées. On observe que le module en torsion

le plus élevé est obtenu avec 30% de fibres de bois et le plus faible avec le sisal. Le

module en torsion pour les fibres de bois est 72% plus élevé que pour les fibres de sisal.

Dans la Figure 4.14 on compare les différents types de résines époxydes et de

°nanoadditif selon le pourcentage de charge en fibre de bois (bouleau jaune) en relation

avec le pourcentage d'augmentation de leur module en torsion.

86

100

---~ --- 80 Tl = 0 \l T2 ...... rI1 a.. 0 T4 0 ~ 60 = CV TS ~ • ~

""""'" CV = ~ 40 0 0 8 •

= "'= ~ 20 \l OJ) ~ 0 ~ = ~ ~ ~ 0 = 0 ~

-20 0% 10% 20% 30%



concentration en fibres de bois (300-600 ~m).

Les fibres de bois (bouleau jaune) augmentent dans tous les cas le module en

torsion. On observe que le plus haut module en torsion est obtenu pour 30% de fibres de

bois et le plus faible pour les échantillons T4. La présence de Hi-Sil comme nanoadditif

dans la T2 réduit le module en torsion. Si on compare les pentes de ces tests, on observe

que la plus grande pente est pour les échantillons Tl et la plus faible pour les échantillons

T5.

87

4.2.3 Tests en traction

Les tests en traction sont complémentaires aux tests en flexion et en torsion

puisqu'ils permettent d'étudier les matériaux à grande déformation jusqu'à leur rupture.

Ces tests permettent d'évaluer le module élastique (E), la contrainte maximale (lTM),.la

contrainte à la rupture (aR) ainsi que leur déformation correspondante (GM et GR). Les tests

en traction ont été faits à une vitesse constante de 1 mm/min, ce qui représente une faible

vitesse pour des échantillons de résines époxydes (ASTM D638).

La Figure 4.15 présente des courbes · de contrainte en fonction de la déformation

pour quatre échantillons T1.3, T3.3, T6.3 et T7.3 qui représentent les quatre types de

fibres naturelles utilisées comme renforcement pour les résines époxydes (bois, sisal, lin

et chanvre).

18

16 T1.3

14 D T3.3

• T6.3

--- • T7.3 ~ 12 ~ ~ '-" 10 a,j ..... = .•

8 ~ -..... = 0 6 U

4

2

0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.()18

Déformation (-)

Figure 4.15 Courbes contrainte-déformation pour des tests en traction.

88

Les courbes de traction illustrent quelques caractéristiques marquantes pour des

composites fibres naturelles/résines époxydes. D'abord, les résines époxydes renforcées

avec des fibres naturelles présentent une déformation élastique, mais elles ne présentent

pas vraiment de déformation plastique (Figure 4.15). La présence des fibres diminue

cependant la valeur de la contrainte maximale en traction, mais augmente le module

élastique.

On voit bien que les tendances sont similaires dans le cas des quatre types de

fibre. La différence entre les quatre fibres est la valeur du module élastique qui est plus

élevée pour les fibres de bois et plus faible pour les fibres de lin.

La Figure 4.16 illustre les modules en traction pour différentes résines époxydes

avec ou sans de nanoadditif en fonction de leur teneur en bois dans les tests Tl, T2, T 4 et

T5. Également, la Figure 4.16 montre que les modules en traction pour la même résine

époxyde en fonction des différentes fibres naturelles comme le bois, le sisal, le lin et le

chanvre dans les tests Tl, T3, T6 et T7.

1200

1100

-- 0 ~ 0 ~

~ 1000 0 '-" ..Â ~ • 1

= 900 .~ ~ ~ ~ ~ ~

800 = ~

~

:; "0 700 Q

~

600

500 0%

Tl T2 T3 T4 TS T6 T7

o • ..Â .

10%

" D • ..Â

20%


·30%

Figure 4.16 Module en traction en fonction de la concentration en fibr~s naturelles (300-

600 ~m).

89

La Figure 4.16 permet efficacement de comparer les matériaux en fonction des

types de résines époxydes et des types de fi~res. On observe que la rigidité des résines

époxydes dépend de la teneur en fibres naturelles. Le module en traction augmente de

façon linéaire avec la concentration ,en fibres naturelles dans la résine époxyde. En fait, la

faible cohésion entre le résine époxyde et les fibres naturelles permet aux fibres de se

. retirer de la matrice polymère (fibre pull-out) sans se fracturer lorsque l'échantillon est

soumis à une grande contrainte longitudinale. Ceci implique que l'interface fibre

naturelle/résine époxyde ne permet pas à la matrice polymérique de tirer profit du plein

potentiel des fibres naturelles. À ce sujet, Gikuru et al.[38] ont démontré que les fibres de

sisal donnent une augmentation du module en traction avec la concentration des fibres.

La Figure 4.17 montre les comparaisons entre la résine époxyde selon le

pourcentage de charge en fibres naturelles de divers types en relation avec le pourcentage

de l'augmentation de leur module en traction.

80

...-T1 ~

D T3 E~

= • T6 0 • .- 60 T7 ~ ~ ~ ~ ~

= ~

~

13 "'Q 40

~~ 0 e = D "'C

~~ ~ • e.«l ~ ~

20 = ~ D • ~ ~ • = 0 • ~

0 0% 10% 20% 30%



concentration en fibres naturelles (300-600 ~m).

90

Par exemple, une augmentation de 30% d~ fibres de bois dans la résine nous

donne une augmentation de 67% du module en traction. On observe que le plus haut

module de traction est pour 30% de fibres de bois et le plus faible est avec le lin. Le

module en traction pour les résines époxydes renforcées par de fibres de bois est 24%

plus élevé que les résines époxydes renforcées par de fibres de lin.

Les résultats de George et al.[36] ont montré que l'ajout de 35% de fibres de lin

donne une augmentation de 200/0 du module en traction pour les résines époxydes

renforcées avec ces fibres. De la Figure 4.17, on peut observer une augmentation

similaire dans notre cas. L'ajout de 30% de fibres de lin dans le T6 donne une

augmentation de 25% du module en traction.

La Figure 4.17 permet de conclure que le module en traction augmente selon

l'augmentation du pourcentage de fibres naturelles et diffère selon le type de' fibres

utilisées.

La Figure 4.18 montre les comparaisons entre les différents types de résines

époxydes et de nanoadditif selon leur pourcentage de charge pour les fibres de bois

(bouleau jaune) en relation avec le pourcentage de l'augmentation du leur module en

traction. Georges et al. [36] ont rapporté des résultats sur la résistance à la traction des

résines époxydes renforcées avec des fibres de 'lin avec différents traitements. Ces

traitements donnent dans la plupart des cas une amélioration des propriétés en traction.

Dans la Figure 4.18, on observe que la présence de nanoadditif diminue la résistance en

traction.

91

80

.-.. Tl ~ T2 C 60 0 T4 0 0

0 TS ... .. ~ ~ Jo. CV .. c

40 ~

~

"3 "'0 0 e = 20 "'O . ~ el) ~ .. C ~ ~ 0 Jo. = 0 ~

-20 ~------------~--~------------------~----------------~ 0% 10% 20% 30%



concentration en fibres de bois (300-600 ,.,.,m).

On observe que le plus haut module en traction pour les différents types de résines

sans ajouter de fibre de bois est obtenu en utilisant les deux durcisseurs comme agents

réticulants (T5). Les fibres de bouleau jaune augmentent dans tous les cas le module en

traction .

. L'évaluation de la contrainte maximale atteinte et de sa déformation

correspondante obtenue lors des tests en traction pour les résines époxydes renforcées

avec des fibres naturelles de 300-600 ,.,.,m sont présentées aux Figures 4.19-20.

Globalement, l'augmentation de la proportion des fib~es naturelles a un effet négatif sur

ces valeurs: elles diminuent toutes les deux. À titre indicatif, on observe dans notre cas

que la contrainte et la déformation des résines époxydes contenant 30% de fi,bres

naturelles sont toutes les ' deux approximativement 50% inférieures à celles de la matrice

polymère.

92

50 ~------------------------------------------~

,-.. ~ 40 Tl ~

~ V T2 ~

D T3 QI ...... 0 T4 ~

8 0 T5 .,.. ~ Â T6 ~ 0 8 • T7 QI 20 @ ~ = • ~ . ,.. ~ .. Â ~ = • 0 10 U

o ~------------~------~------~------------~ 0% 10% 20% 30%

Pourcentage de fibre naturelles (% )

Figure 4.19 Contrainte maximale en traction pour les résines époxydes renforcées avec

des fibres naturelle (300-600 ~m).

,-..

~ 5 ---QI ë; S .,..

4 ~ ~

Tl T2

D T3 S 0 T4 QI ~

= .; .. ~

= 0 C.J 2

0 T5 .& T6

• T7 Q ®

~ -,.~ • • .&

= 0 1 .,.. ~ • ~

S .. ~ 0 'QI Q 0% 10% 200/0 30%

Pourcentage de fibre naturelle (% )

Figure 4.20 Déformation à la contrainte maximale en traction pour les résines époxydes

renforcées avec des fibres naturelle (300-600 ~m).

93

TI est possible que la présence .des fibres naturelles dans le polymère accroisse

l'inhomogénéité de l'échantillon .en introduisant plus de défauts dans le volume. Selon les

Figures 4.19-20, on peut conclure que la contrainte maximale et la déformation à la

contrainte maximale décroît avec la teneur en fibres naturelles, et ce, pour toutes les types

des fibres qui ont été étudiées.

Pour les propriétés à la rupture, les Figures 4.21-22 présentent respectivement

l'effet de la teneur en fibres naturelles sur la contrainte et la déformation à la rupture.

14

.-.. ~ 12 ~ ~ '-' ~ "'-

10 :s ~

~ 8 :s "'-~ -- 6 ,,~

0 ~ ~ 0 = .. 4 e ~ "'- Â ~ = + 0 2 U

0 0%

Tl T2 T3 T4 T5 T6 T7

+

g

+ Â

10%

o ~ o

t

20%

Pourcentage de fibre naturelles (%)

30%

Figure 4.21 Contrainte à la rupture en traction pour les résines époxydes renforcées avec

des fibres naturelle (300-600 ~m).

5

,..-.. Tl ~ ~ 4 ~

\l T2 D T3 ..

= 0 T4 ~

Q. (!) T5 = 3 .. • T6 ~ ..... • T7 ;~

= 2 0 .-~ ~ e

~

~ * .. ~ 1 • ,~

Q

0 0% 10% 20% 30%

Pourcentage de fibre naturelle (%)


avec des fibres naturelle (300-600 ~m).

94

On observe que il n'a pas une très grande différence entre le comportement de la

résine époxyde et celui de la résine époxyde renforcées avec différents types de fibres

naturelles de 300-600 ~m. En effet, la contrainte à la rupture moyenne des échantillons

qui ne contienne pas de fibres est de 12 MPa tandis qu'elle est de 7 MPa pour les résines

époxydes renforcées avec 30% de fibres naturelles. Par ailleurs, la différence entre la

contrainte maximale et la contrainte à la rupture des résines époxydes renforcées avec des

fibres naturelles implique que la présence des fibres infère une qualité ductile à la matrice

polymère. Ceci se voit aussi par une diminution des déformations à la rupture.

95

4.3 Tests mécaniques (fibres naturelles de 125-300 J.1m)

Pour permettre une meilleure comparaison entre les types de fibres qui renforcent

les résines époxydes et leurs propriétés mécaniques, des tests complémentaires avec des

fibres de 125-300 (lm ont été faits en broyant les fibres de 300-600 (lm.

Dans les tests avec ces fibres, on a réussi à fabriquer des composites homogènes

avec des fibres de bois jusqu' à une concentration de 30%, mais seulement jusqu' à une

concentration de 10% pour les autres fibres parce qu'elles absorbent toute la résine et

empêche un mélange homogène. Ceci est dû au fait que la réduction de la taille des

particules augmente la surface à recouvrir. Selon Oksman et al.[37], une augmentation de

la longueur des fibres diminue leur force parce que le nombre de défauts est plus élevé.

Dans notre cas, les fibres les plus petites entrainent une diminution des propriétés

mécaniques, causée par la présence de la farine des fibres naturelles.

4.3.1 Tests en flexion

À l'aide de l'Équation (3.1), on a calculé les modules en flexion pour la même

résine et différents types de fibres avec les longueurs de 125-300 (lm. La Figure 4.23

montre bien que les modules augmentent avec l'augmentation du pourcentage de fibres

naturelles et diffère selon le type de fibres. Les valeurs rapportées représentent une

moyenne d'un minimum de cinq échantillons.

La Figure 4.23 illustre les modules en flexion pour la même résine époxyde en

fonction des différentes fibres naturelles comme la fibre de bois dans le test TIl avec des

concentrations de 0, 10, 20 et 30% de fibres et aussi le sisal, le lin et le chanvre dans les

tests T12, T13 et T14 avec des concentration de 0 et 10% de fibres.

96

1050

TIl

1000 + Tl2 ,-. • Tl3 ~ ~ [] Tl4 ~ --- 950 ~ ~

1

= 0 .- 900 ~ + ~ C

= ~ a,)

850 ..... = ~ 0

~ 800 •

[]

750 0% 10% 20% 30%


Figure 4.23 Les modules en flexion en fonction de la concentration en fibres naturelles

(125-300 ~m).

La Figure 4.23 permet de conclure que le module en flexion augmente selon

l' augmentation du pourcentage de fibres naturelles et diffère en fonction du type de fibres

utilisées. On observe que pour 10% de fibres naturelles, le plus haut module en fle~ion

est donné par le chanvre et le plus petit par le sisal.

La Figure 4.24 compare les résines époxydes selon leur pourcentage de charge en

fibres naturelles de divers types en relation avec le pourcentage d' augmentation de leur

module en flexion.

97

40

...-.. ~ TIl --- ~ = Tl2 0 • Tl3 .- 30 ~ ~ [] Tl4 = = ~

~ .... = "C 20 0 e . ~ = "C Q) Ol) ~ ....

10 = ~ ~ -= • 0 ~

C

0 0% 10% 20% 30%


Figure 4.24 Pourcentage de variation du module . en flexion en fonction de la

concentration en fibres naturelles (125-300 flm).

Une comparaison entre les fibres de 125-300 flm (Figure 4.23) et les fibres de

300-600 flm (Figure 4.8) donne une réduction des modules d'environ 10%.

4.3.2 Tests en torsion

La Figure 4.25 illustre les modules en torsion pour la même résine époxyde en

fonction des différentes fibres naturelles utilisées.

98

750

700 TIl

+ Tl2 ~

650 • Tl3 ~ ~ [] Tl4 ~ "-'

= 600 0 . .,. r.I'J. - 550 0 ~

= ~

~ 500 ...... ::1

"'0 0

~ 450

400

350 0% 10% 20% 30%


Figure 4.25 Module en torsion en fonction de la concentration en fibres naturelles (125-

300 ~m).

La Figure 4.25 permet de conclure que le module en torsion augmente selon

l'augmentation du pourcentage des fibres naturelles et diffère en fonction des types de

fibres utilisées. On observe que pour 10% de fibres naturelles, le plus grand module en

flexion est donné par le chanvre et le bois avec des mêmes valeurs similaires. Le plus

faible module est donné par le lin.

La Figure 4.26 montre les comparaisons entre les résines époxydes selon leur

pourcentage de charge en fibres naturelles de divers types en relation avec le pourcentage

d'augmentation de leur module en torsion.

---~ ---= .9 Ç/)

'-0 .... = ~

~ :; "'C 0 e = "'C ~ =t) ~ .... = ~ (;J

'-= 0 ~

100

80

60

40

20

o 0%

99

TIl

+ Tl2

• Tl3 [] Tl4

10% 20% 30%




On observe que les fibres de 125-300 ~m (Figure 4.26) possèdent un module en

torsion 10% supérieur en comparaison avec les fibres de 300-600 ~m (Figure 4.13). Ce

résultat peut être relié à l'orientation des fibres dans la matrice. Néanmoins, plus de

travaux seraient nécessaire car aucune donnée n'a été trouvée dans la littérature sur le

sujet.

4.3.3 Tests en traction

Les tests en traction sont complémentaires aux tests en flexion et en torsion

puisqu'ils permettent d'étudier les matériaux à grande déformation jusqu'à leur rupture.

La Figure 4.27 illustre les modules en traction pour la même résine époxyde en fonction

100

des différentes fibres naturelles comme la fibre de bois dans le' test T Il et aussi le sisal, le

lin et le chanvre dans les tests T12, T13 et T14.

950

900 TIl

+ Tl2 ..-. • Tl3 ~ ~

850 [] Tl4

~ '-"

~ 1

= 800 0 .-..... ~ ~ -..... 750 = ~

~ IlIIOOII

= "e 700 0

~ []

650 t

600 0% 10% 20% 30%

Concentration de fibres naturelles Figure 4.27 Module en traction en fonction de la conc,entration en fibres naturelles (125-

300 ~m).

La Figure 4.27 permet de conclure que le module en traction augmente selon

l'augmentation du pourcentage de fibres naturelles et diffère selon le type de fibres

utilisées. On observe que pour 10% de fibres naturelles, le plus haut module en traction

est donné par le bois et le plus faible par le lin.

La Figure 4.28 compare les résines époxydes selon leur pourcentage de charge en

fibres naturelles de divers types en relation avec le pourcentage d'augmentation de leur

module en traction.

101

60

..-.. ~ TIl '-'

50 + = Tl2 0 Â Tl3 .• ......

[] ~ Tl4 Cd - 40 ......

= ~

~ ~

= "e 30 0 e = "e aJ 20 OJ) Cd ...... = ~ ~

10 [] -= t 0 ~

0 0% 100/0 20% 30%




Encore une fois, le nombre restreint de résultats indique une augmentation linéaire

des modules avec la concentration de fibre, avec le bois donnant · toujours les meilleurs

résultats.

L'évaluation de la contrainte maximale et de sa déformation correspondante lors

des tests en traction pour les résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles de

125-300 ~m est présentée aux Figures 4.29-30. Globalement, l'augmentation de la

proportion des fibres naturelles a un effet négatif sur ces valeurs et diminue à la fois la

contrainte en elle-même ainsi que la déformation correspondante. À titre indicatif, on

observe dans notre cas que la contrainte et la déformation des résines époxydes contenant

10% de fibres naturelles sont toutes les deux d'approximativement 40% inférieures à

celles de la matrice polymère.

102

25

.-. ~ 4~ ~ 20 ~ ---~ --~

15 e • . -~ [] ~ e + ~ 10 T Il ~ + T 12 = .- • ~ T 13 ., ~ [] T 14 = 5 0 U

0 0% 10% 20% 30%


Figure 4.29 Contrainte maximale en traction pour les résines époxydes renforcées avec

des fibres naturelle (125-300 ~m) .

.-. ~ 5 ---~ ,... = e .- 4 ~ ~ e ~ ~ = 3 .-= ., ~ c 0 ~ 2 ~ ,...

.... = = 0 1 .-~ ~ e ., ~ 0 ,~

Q 0% 10% 20%

TIl + T12 ' • Tl3 C Tl4


30%


époxydes renforcées avec des fibres naturelle (125-300 ~m).

103

Encore une fois ici, il est possible que la présence des fibres naturelles

dans le polymère accroisse l'inhomogénéité de l'échantillon de façon à introduire plus de

défauts dans la composite. Selon les Figures 4.29-30, on peut conclure que la contrainte

maximale et la déformation à la contrainte maximale décroissent avec la teneur en fibres

naturelles, et ce, pour toutes les types des fibres qui ont été étudiées.

D'un autre côté, la contrainte et la déformation à la rupture sont présentées en

fonction de la teneur en fibres naturelles aux Figures 4.31-32.

25

~

~ ~

~ 20 '-' QJ s.... = ......

15 Q.c = s.... ~ --I~ 10 TIl QJ + Tl2 ...... = 0 • Tl3 .,.. ~ s.... IJ Tl4 ...... 5 + = 0

U

0 0% 10% 20% 30%


Figure 4.31 Contrainte à la rupture en traction pour les résines époxydes renforcées avec

des fibres naturelles (125-300 ~m).

---~ '-' ~ ~

= .... ~

= ~

~ ...... .. ~

= 0 .-.... ~ e ~

~ ,~

Q

5

4

3

2

1

0 0% 10% 20%

TIl + Tl2 Â Tl3 [] Tl4


104

30%


avec des fibres naturelles (125-300 ~m).

On observe une différence minime entre le comportement de la résine époxyde et

celui de la résine époxyde renforcées avec différents types de fibres naturelles de 125-

300~m .. En effet, la contrainte à la rupture moyenne des échantillons ne contenant pas de

fibres est de 14 MPa, tandis qu 'elle est de 8 MPa pour les résines époxydes renforcées

avec 10% de fibres naturelles. Par ailleurs, la différence entre la contrainte maximale et la

contrainte à la rupture des résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles implique

que la présence des fibres infère une qualité dùctile à la matrice polymère. Ceci peut aussi

se voir par la diminution de la déformation à la rupture.

105

Chapitre 5

Conclusions et RecoDlDlandations

Dans ce travail, plusieurs résultats ont été obtenus sur la fabrication et la

caractérisation des résines époxydes renforcées avec différents types de fibres naturelles

en utilisant différentes résines, durcisseurs et agent de couplage.

Ces composites sont constitués de résidus de fibres de bois, sisal, lin et chanvre.

Ces fibres sont incorporées dans une matrice de résine époxyde (polymère

d'épichlorhydrine et de bisphénol A avec un durcisseur qui est une polyamine à base

d'eau). Un agent de couplage (Hi-Sil T-700) a été utilisé dans le cadre de cette recherche

pour voir son effet sur l'adhérence entre les fibres et la matrice.

De plus, on a utilisé deux solvants différents (Epodil 748, Alcool benzylique) pour

réduire la viscosité des résines. Comme le durcisseur utilisé est à base d'eau, on a utilisé

de l'eau comme solvant. Le~ travaux avai~nt également pour but d'analyser l'effet des

paramètres de mise en œuvre sur la morphologie et les propriétés mécaniques des

échantillons.

Afin d'étudier ces matériaux, un plan expérimental de 64 expériences a été choisi.

L'effet des fibres a d'abord été analysé en variant la teneur en fibres naturelles de 0, 10,

20 et 30%. Cette plage a été jugée suffisante puisque les fibres ne sont pas parfaitement

enrobées par la résine lorsque leur teneur est supérieure à 30% en volume. Aussi, on a

utilisé deux longueurs différentes de fibres: 300-600 ~m pour les fibres longues et 125-

300 ~m pour les fibres courtes. Ceci permet une comparaison en fonction de la longueur

des fibres.

Des résines époxydes avec différentes teneurs et types de fibres naturelles ont été

produites. Les matières premières ont d'abord été mélangées dans un bécher, coulées

dans un moule et laissées pendant 30 jours. Par la suite, les échantillons ont été coupés à

106

.l'aide d'une presse en différentes formes pour l~s tests mécaniques à accomplir. On a par

la suùe comparé leur structure et leurs propriétés dans des conditions similaires. Voici

quelques conclusions sur les résultats présentés.

, 5.1 Morphologie

L'analyse microscopique des résines époxydes avait pour but de déterminer la

morphologie des fibres naturelles. Afin d'obtenir des résines époxydes homogènes avec

différentes concentrations de fibres naturelles, le choix des conditions de moulage

optimales doit être fait. Pour y parvenir, on a utilisé une pression pour extraire l'air des

échantillons. En général, la densité des composites époxydes diminue avec

l'augmentation de la concentration des fibres naturelles parce que la densité des fibres

naturelles est plus faible que la densité des résines époxydes. Néanmoins les valeurs

diffèrent en fonction du type de fibres naturelles utilisées.

5.2 Module en flexion

Les tests en flexion montrent que le module augmente avec la présence de fibres

naturelles.

Pour les résines époxydes renforcées avec différentes concentrations de fibres

naturelles de 300-600 ~m et dans les conditions testées, on a obtenu des modules en

flexion entre 764 et 1555 MPa. Les valeurs diffèrent en fonction du type de fibres

utilisées et aussi en fonction des résines, durcisseurs ou agents de couplage. Ona constaté

que le meilleur module a été obtenu avec les fibres de bois, dans le test T 1 avec 1300

MPa, qui représente une augmentation de 70% du module en flexion. Dans le cas des

différents polymères, le meilleur module a été obtenu avec la résine Epon 828 et le

mélange de deux durcisseurs Anquamine 401 et Anquamine 701 dans le test T5 avec

1555 MPa.

107



flexion entre 757 et 1033 MPa. On a constaté que dans le cas de 10% de fibres, le

meilleur module en flexion est obtenu avec les fibres de chanvre dans le test T 12 avec

897 MPa.

On peut constater que les modules en flexion diminuent avec la diminution des

tailles de fibres et augmentent avec la concentration des fibres naturelles.

5.3 Module en torsion


naturelles de. 300-600 ~m et dans les conditions testées, on a obtenu des modules en

torsion entre 371 et 775 MPa qui différent en fonction du type de fibres utilisées et aussi

en fonction des résines, durcisseurs ou agents de couplage. On a constaté que le meilleur

module a été obtenu avec les fibres de bois, dans le test Tl avec 775 MPa, qui représente

une augmentation de 92% du module en torsion. Dans le cas des différents polymères, les

meilleurs m~dules ont été obtenus avec la résine Epon 828 et le durcisseur Anquamine

401 dans le test Tl avec 775 MPa.



torsion entre 385 et 710 MPa. On a constaté que dans le cas de 10% de fibres, le meilleur

module en flexion est obtenu avec les fibres de chanvre dans le test T 12 avec 475 MPa.

On peut constater que les modules en torsion diminuent avec la diminution des

tailles de fibres et augmentent avec la concentration des fibres naturelles. Néanmoins, le

module en torsion augmente significativement avec la teneur en fibres naturelles. Par

contre, cette augmentation est deux fois supérieure en flexion qu'elle ne l'est en torsion;

ceci implique que le transfert de charge entre la matrice de la résine époxyde et les fibres

naturelles dépend fortement de la nature de la contrainte appliquée.

108

5.4 Module en traction



traction entre 633 et 1062 MPa qui différent en fonction du type de fibres utilisées et

aussi en fonction des résines, durcisseurs ou agents de couplage. On ~ constaté que le

meilleur module a été obtenu avec les fibres de bois, dans le test Tl avec 1062 MPa, qui

représente une augmentation de 67% du module en traction. Dans le cas des différents

polymères, les meilleurs modules ont été obtenus avec la résine Epon 828 et le mélange

de deux durcisseurs Anquamine 401 et Anquamine 701 dans le test T5 avec 1100 MPa.



traction entre 613 et 906 MPa. On a constaté que dans le cas de 10% de fibres, le meilleur

module en flexion est obtenu avec les fibres de bois dans le test T Il avec 715 MPa.

La contrainte maximale, ainsi que la déformation qui lui est associée, ont diminué

d'approximativement 50% lorsqu'on compare la matrice polymère au composite

contenant 30% de fibres naturelles. Des conclusions similaires sont obtenues pour les

mêmes propriétés à la rupture.

Les tests en traction montrent que le module élastique augmente avec la présence

des fibres naturelles et diminue avec la réduction de la taille de fibres.

5.5 Recommandations

Au cours de ce travail, des caractérisations ont servi à déterminer la densité, la

morphologie et les propriétés méc~niques (flexion, torsion et traction) des résines

époxydes renforcées avec des fibres naturelles. Afin de compléter ce travail, il serait bon

de modifier l'instrument pour le moulage afin d'assurer la reproductibilité des conditions

109

de production des résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles. Ceci serait utile

afin d'obtenir des propriétés supérieures.

Le procédé général de fabrication semble adéquat, mais l'étape de compression

pourrait être améliorée, notamment par l'ajout d'un système utilisant une presse. De plus,

il serait intéressant d'utiliser différents ' polymères, autres que le polymère

d'épichlorhydrine et de bisphénol A. Le même exercice pourrait être fait avec différents

durcisseurs et d' autres types de fibres naturelles afin d'améliorer la production de résines

époxydes renforcées avec des fibrys naturelles et d'obtenir de l'information sur la relation

entre le procédé et la structure.

Au point de vue mécanique, des tests supplémentaires comme la compression et la

résistance à l'impact pourraient être utiles afin d'obtenir encore plus d'informations sur la

relation entre la structure et la résistance d'unè résine époxyde renforcée avec des fibres

naturelles.

En terminant, beaucoup de travail serait encore nécessaire afin d'améliorer les

comportements des fibres naturelles comme renforcement pour les résines époxydes. On

parle ici d'optimiser les tailles, concentrations et traitement de surface.

110

Bibliographie

1. Y. Mouton, M. de Longcomp, Histoire des matières plastiques, aux Grands

Ateliers de l'Isle d' Abeau, le 15 octobre 2007.

2. M. Aufray, Caractérisation physico-chimique des interphases époxyde

amine/oxyde ou hydroxyde métallique et de leurs constituants, Thèse de doctorat,

École doctorale des matériaux de Lyon (2005).

3. Belgochlor, Livre blanc du chlore-. BelgoChlor cIo Pedichem, Jules Houtmeyers,

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and bending strength of sisal-epoxy composites, J. Eng. Appl. Sci., 1, 508-513

(2006).

39. ASTM D638 Annual book of ASTM standards, American Society for Testing and

Materials (1988).

40. ASTM D790 Annual book of ASTM standards, American Society for Testing and

Materials (1988).

113

Annexe A

InforlDations sur la prelDière résine utilisée

Technical Data Bulletin

H ION~ IllyC Il t

EPONTM Resin 828

RP: 3075 Re-issued: September 2005

Introduction EPONlM Resin 828 is an undiluted clear difunctional bisphenol Alepichlorohydrin derived liquid epoxy resin. Wh en cross-linked or hardened with appropriate curing agents, very goOO mechanical, adhesive, dielectric and chemical resistance properties are obtained. Because of this versatility, EPON Resin 828 has become a standard epoxy resin used in formulation, fabrication and fusion technology.

Features • Fiber reinforced pipes, tanks and composites • Tooling, casting and molding compounds • Construction, electrical and aerospace adhesives • High solidsllow VOC maintenance and marine coatings • Electrical encapsulations and laminates • Chemical resistant tank linings, flooring and grouts • Base resin for epoxy fusion technology

Typical Properties Property Test Method Unit g/eq Epoxide Equivalent Weight 1 ASTM 01652

Viscosity @ 25°C 2 ASTM 0445 P Color ASTM 01544 Gardner Pounds per Gallon @ 25°C (7rF) lbs/gal Oensity @ 25°C (7rF) glml Physical form

mmHg

Specifie heat BTUllbr F 1 ASTM 01652 (Epoxy Content of Epoxy Reslns - Perchloric Acld Method)

2 ASTM 0445 (Kinematic Viscosity - Determinatin of the Viscosity ci Liauids by Ubbelohde Viscometer).

Value 185-192 110-150 1 max.

9.1 1.16

Clear liquid 0.03 1.573 0.5

114

Annexe A (suite)

RP: 3 75 EPO Resin 828 Page 5

Figure 1 / Viscosity at 25 oC of EPONTM Resin 828 blends with various diluents

.; Il

& t ci ~ ::" 10 1~ N

1ii fi >: ~ ~ 1i

§ 0 ' U fit

:;:: :;::

, '--__ '---__ L--_-----l'---_---'~_~ 0.1

o 5 10 15 20 25

Amount of diluent, %w

Fusion Technology EPON Resin 828 is the product of choice for a resin chemist using a specifie fusion catalyst when processing proprietary solid epoxy resins or epoxy esters. Upon request, Hexion Specialty Chemicals can provide EPON Resin 828 exhibiting extremely low hydrolyzable and total chlorine, two end groups that may be deleterious to resin curing and long term performance in electrical uses.

FDA Status Provisions are made in the FDA regulations for the use of [PON Resin 828, when properly formulated. applied and cured, forfood contact applications under Title 21 Code of Federal Regulations 175.300. The regulations should be consutted for complete details. In particular, we direct your attention to subparagraph (b) of 21 CFR 174.5 and the general provisions applicable to indirect food additives listed there.

Identification and Chemical Abstract Service Registry Number. 25068-38-6 (EPNTSCA inventory designation) Classification

Generic name: Liquid Bisphenol A Epichlorohydrin based epoxy resin.

Chemical designatiore Phenol, 4,40 - (l-methylethylidene) bis-polymer with (chloromethyl) oxirane.

115

AnnexeB

InforDlations sur la deuxièDle résine utilisée

'EQuadra Fiche signalétique Valida.cd and verified by: Regula'ory Affairs / Affaires réglementaires Date de validation 7n12005.

SIMDUT Vêtemenb de protection TMD routier / ferroviaire

IsectiorÜ1Ujaentlfiœtioli ~jdu 1pT:odUifcl1lmlque ~etiie1 ~iiiiiompagnie ~~~ 11n11 ~jjjjj j 1Uj1 jjj H j ~jjjjjH j ~jjjn1jj 1j jjjj j j j~j1jj l

Résine époxyde BE188 Code

Synonyme Manufacturier

Fournisseur

Utilisations

004376

Non disponible.

Non disponible.

OUADRA CHEMICALS L TD. 370. boul. Joseph-Carrier Vaudreuil-Dorion QC J7V 5V5 Tel: (450) 424-0161

Burlington ON Tél: (905) 336-9133 Delta BC Tél: (604) 940-2313 Edmonton AB Tél: (780) 451-9222 Calgary AB Tél: (403) 232-8130

Applications industrielles: Adhésif.

INCIDENT EN COURS DE TRANSPORT - 24 HRES/JOUR - 7 JOURS/SEMAINE PARTOUT AU CANADA 1 ONYX INDUSTRIES - APPELER 1-800-465-0911

Nom No CAS

polymère d'épichlorhydrine et de bisphénol A 25068-38-6

%en poids

60-100

Limites d'exposition

Non disponible.

Consulter les responsables locaux compétents pour connaître les valeurs considérées comme acceptables.

Vue d'ensemble des urgences

Voies d'absorption

CAUSE UNE IRRITATION DES VOIES RESPIRATOIRES, DES YEUX ET DE LA PEAU. PEUT CAUSER UNE SENSIBILISATION DE LA PEAU.

Contact cutané. Contact avec les yeux. Inhalation. Ingestion. Effets aigus potentiels sur la santé

Yeux Provoque une irritation des yeux.

Peau Cause une irritation de la peau. Peut causer une sensibilisation de la peau. Peut être absorbé par la peau. Peut entraîner une dermatite.

Inhalation Cause une irritation des voies respiratoires.

Ingestion Peut être nocif en cas d'ingestion.

EIfeCs chroniques potentiels EFFETS CANCÉROGÉNES Non disponible. sur la santé EFFETS MUTAGÈNES Non disponible.

EFFETS TÉRATOGÉNESNon disponible. TOXICITÉ POUR LE DÉVELOPPEMENJNon disponible. Peut entraîner une dermatite.

Conditions médicales Aucune information additionnelle. aggravées par une iurexposition

116

Annexe C

InforOlations sur le preD1ier durcisseur utilisé

AIR .1;,.. PRODUCTS -..:::,

Epoxy Curing Agents and Modifiers

Anquamine® 401 Curing Agent

DESCRIPTION

Anquamine 401 waterbome curing agent is a modified al~hatic amne supplied at 70 ~ solids in water. is intended for use with waterbomeepoxy dispersions in twocomponent, ambient~ure , waterbome epoxy coatilgs. Anquamine 401 curing ,agent can also be utilized with different types of epoxy resin depending upon the properties desired.

A DVAN TAGES

• Excellent glO5S and gloss retenton • Good oolor • Excellent stain resistanœ • ExceJlent hardness development • Rapid dry time • No induction time • Very low odor • Easy dean up

APPLICA TIONS

• Floor and wall coatilg sealers, priners and topcoats

• Industrial maintenanœ, general metal. and transportation primers and topooats

STORAGE lIFE

At leas! 24 ITK>nths trom the date of manufacture in the original sealed container at ambient tempe rature. Store away from exœssive heat and humidity in tightly cl(}sed containers. Do not freeze.

HANDLING PRECAUTIONS

Refer to the Material Safety Data Sheet for Anquamine 401 curing agent

TYPtcAL PROPERTIES Appearanœ

Color 1 (Gardner)

Visoosity2 @ 77 OF (cP)

Spedtic Gravity3

Density3 Clb/q all

>200 AHEW (lheoretica ll 200 Nonvolatie lOlo) 7 Volatile Cont.ent \tater

USE LEVELS* PHR Liguid Eooxv (EEW=1901 65--80 Semi-Solid Epoxy tEEW=245l 50-60 Solid Epoxy lEEW=530-7151 5--30 Ancarez AR550 . 15-30

* Anquamine401 curing agent is often fonnulatec:/ with 30-60% ex cess epoxy.

TYPtcAL CURE SCHEDULE

2 to 10 days at ambiant temperatures.

AS M D 1544-80 2 AS M D 445-83, Brooktield, R\lTD, Spindle 4 3, AS M D 1475-85

The Î'1brna&lncœt;ioed heœÎ1 k c6red .eûcba-getCl" use by QBcfn~1y qualified plll'5Dmel .lheŒd~~ <ni . stalBlI'IIIrl i!IIcbnc.. idmn;I&ln and ra-.omnerda "oœ cortained he II! " aœ ba!edœ De5lundda wlli:ll 'MI! bU!rie ~be II! bJ \he .DU'~y or ooctllil!_ell'areo ŒÎ~UlQIIll88d ... dro W~r:q~~II:'1 " & _ w1h 1I!!p!IQ~"

Pub. No. 125-9744

AnnexeD

InforlDations sur le deuxièlDe durcisseur utilisé


Anquamine® 701 Curing Agent

Description Anquamine 701 is a water-based epoxy curing agent tha le s you create unique microperous systems tha are breathable and water vaper permeable preven ing delamina ·on and blisterîng. This means floors can be laid and retumed to service quic Iy, 'Mthout the extra cos s involved wi1h reducing moisture conten of the concrete. It is based on a polymerie emulsioo and, as a resu , provides superior performance for a wide range of applications. It has been developed primarîly for use with liquid epoxy esins, out-performing solid esin emulsion-based sys ems by offering the capability to fo mulate systems' ·th zero VOC and 1 ·thout resin e u ifiers .

Advantages Flooring systems with high permeability -100 ·mes 9 ea er than typical cycloaliphatic-based systems

Excellent adhesion to green concrete after only 24 hours of cure

• Very fast film drying with liquid epoxy, and fast through-cure even at lav\' temperatures (doNn 05 oC)

• Visible end of pot-lite as evidenced by a rapid inorease in visoosity

Low viscosity

Low-cost systems based on high filler levels, particu!arly in f100ring applica ·ons

• Very low free-amine content

• Very 9000 early water resistance

• Temperature and shea -stable

Applications • Self-leveling and trowelab!e f100rs

High-gloss to matte top coats Grouts and putties Inslitutional coatings

tell me more http://www.airproducts.com

Typical Properties Opaque YelioN Emulsion

5000 - 1000 130 - 65

1.08 300

53 - 57

40 - 70

2 - 5

0.75 - Phase 2 4 0 - Phase 3 6.50

Persoz Hardness@ 24 hours 200 @7days 350

Storage Lite A least 24 months from the da e of manufac ure in he original sealed container at ambien emperatu e.

S ore away trom excessive heat and humidity in tigh Iy closed containers. Do not treeze.

Handling Precautions Refe to the aterial Safety Data Sheet for Anquamine 701 curing agent.

Typical Cure Schedule 7 days a ambient tempera ure.

117

118

AnnexeE

Inforntations sur le prentier solvant utilisé

AIR 1. PRODUCTS t.:.;


Epodil® 748 Reactive Diluent

DESCRJPTION

Epodil 748 reac Ove dîl ent is an al ipha "c glycidyl ether, comparable 0 Epoxide 8.1 1 " a monofunc "onal eactive diluent used to red ce the IfÎSCOS"ty of epoxy resin sys ems. Since monof ne "on al dil ents, in gene al, ca se moleoular weight chain e . na ion, the minimum amount necessary to achieve the desired viscosity reduction shou d be used.

Epod"1748 reac ove djluenl is particularly useful w'here lOIN volatility levers are required 50 hal prob ems in poorly ven ilated areas are minimized. 1 can be used in acoordance 'Ii '. 2 CFR 75.300 as a component of FDA-compliant fo lations. Slight increases in po r e can be expected 'Nhen 5-20% of Epodil748 reactive djl ent is bl:ended 1 ·th typical Ijquid epoxy resins.

ADVANTAGES

aw ,tapor pressure and 10'# oxicity • Improves flexibility • Improves adhesion 0 non-polar surfaces

APPLICATIONS

• F ooring, mortars and grouts • High and OO~o-solids coatings

aminales • Exposed aggregate .

STORAGE UFE

ftJ leas136 months from he date of manufac ure in the original sealed container a ambient temperature. Store away from excessive heat and humidily in tightly d osed containers.

HANDLING PRECAUTIONS

IRefer to the Malerial Safety Data Sheet for Epodil 748 reactive diluent.

TYPICAL PROPERTIES

>200 o.

o 7.3-7.5

0.1 290

See Table

SUPPLEMENTARY DATA Epodi1 748 reaoti lfe dil'uenl can be used as follows to lowe the viscosity of a standard Bisphenol-A liquid epoxy resin (EEW=190) w' h an ini "al IfÎSoositv of 12 SOO cP: Weiaht Percent Epodil 748 (%) Viscosrtv @ n F (cP)

5 4 000 10 050 5 500

20 300

Trademar, of Procte & Gamble Corporation

Pub. No" 125-9720.4

119

AnnexeF

Infortnations sur le deuxiètne solvant utilisé

no Naveon Ka la ma, Ine. 1296 NW Third A .venue. Kalama. WA 98625

360/673-2550 Phone 360/673-3564 Fax

Noveon Kalama EfDergency Phone: 1-360-673-2550 CHEMTREC: 1-800-42 9300

1.

CHEMICAL NAME:

SYNONYM: FAMILY:

PRODUCT INFORMA TION

BENZYL ALCOHOL Alpha hydroxy toluene. Pheny1methanol Aromatic alcohol

MOLECULAR FORMULA; . MOLECULAR WEIGHT:

Ct;HsCH20 H (C7HeO) 108.1

CAS REG#:

Il.

WARNINGI

/II.

APPEARANCE J 'ODOR: WEIGHT PER GALLON: VAPOR PRESSURE: SPECIFie GRAVITY: SO~UBILITY IN WATER: EVAPORATION RATE:

IV.

FLASH POINT (Tee); .AUTOIGNITION TEMP:

FIREand EXPLOSION HAZAROS~

FJRE FtGHTING 'INFORMATION:

. Rev 00

100-51 -6

SUMMARY OF HAZARDS

CAUSES EVE IRRITATION ... rs A SEVERE EVE IRRITANT EXPOSURE TO VAPORS MAY CAUSE HEADACHE, OIZZINESS, AND NAUSEA OVER-EXPOSURE MAY CAUSE CENTRAL NERVOUS SYSTEM DEPRESSION MAY CAUSE SKtN IRRITATION HARMFUL IF SWALLOWED

PHYS/CAL PROPER71ES

Coloriess liquid wlth an aromatic odor. 8.7# BOIUNG POINT: < 0.1 mm Hg @ 20°C (68&F) MEL TING POINT: 1.045 @ 77°F (H20 ;: 1) % VOLATilE: Moderate (-~S%) VAPOR DENSITY: <0.01 (Butyl ~cetate = 1)

401 oF (205~C)

+4.5°F .(-15,3°C) 100 3.7 (AJr ~ 1)

FIRE AND EXPLOSJON HAZARD INFORMA TION

21 O~F (9B.9"C) 8171}F (436 C C)

FLAMMABLE LIMITS: DECOMPOSITION TEMP:

Not determined Not datermined

Decomposition under tI re conditions will generate carbon monoxide and may generate other oxic vapors.

Use C02, foarn, or dry chemical to extînguish fite. Water can be used te cool a tire 1 but for extlnguishment t foam or dry chemical are preferred. AvoÎd spreading liquid and fi re by water flooding. Wear se!f~con ained, posiUve pressure breathing apparatus and full firefighting protective cfothing. Use water to keep containers cool.

Page of 5 Ftle: 75550025

- - - - - --- - -

Annexe G

InforDlations sur le troisièDle solvant utilisé

Fiche de Données de Sécurité

LA7535 Alkasurf CQ-720/EP

Produit Id: LA7535 Nom du produit: A1kasurf CO-720/EP Synonymes: Nonylphenoxy poly( ethyJeneoxy)ethanol, branched Famille chimique: Aucun connu. Application: Surfactif.

Distribué par: Stochem Speciality Chemicals a Division of Univar Canada Ud. 9800 Van Home Way, °

Richmond, BC. V6X 1W5

Préparé par: Le Département Santé, Sécurité & Environnement Date de préparation de ra FS: 23 janvieOr 2006 Numéro de téléphone (Canada): 1-866-686-4827

Numéro de téléphone d'urgence (CANUTEC): (613) 996-6666

Ingrédients

Nonylphenol polyethoxylate 68412-54-4

Remarque: Aucune remarque additionnelle.

Effets aiguê potentiels aur la santé:

DLSO et CL50; voie et espèces:

Oral LD50: 510 mg/kg (Rat)

Contact Avec Les Yeux: Provoque une grave irritation des yeux. Provoque des rougeurs et des larmoiements. Contact Avec La Peau: Peut causer une légère irritation, accompagnée de malaises et d'une rougeur locale. Inhalation: Une inhalation est peu probable. Peut causer une irritation des voies respiratoires. Ingestion: Nocif si ingère. Peut causer une irritation gastrointinale, la nausee, des vomissements èt la diarrhee.

LA7535 Alkasurf CO-7201EP

120

121

AnnexeH

Inforntations sur l'agent de couplage utilisé

PPG Silica Products offers a product line of synthetic amorphous

precipitated silica thicken ing agents that are rheology modrfiers

and anti-saglsuspension agents for polyester gel coat ings,

p last isols, inks, adhesives caulks and sealants. Our products

co ver a wide range of median partiele size and surface area

performance p roperties in order to provide you w ith maximum

formulation flexibility.

Benefits • Compatib le with a range of floccu lants, associative thickeners ,

and d ispersion aids

• Adjusts rheology wit hout changing other system character istics

• Enhanced thixotropy in non-polar solvent systems

Typical Properties

Hi-Sil T-690

Hi-Sil T -700

Hi-Si! T -15 2

Hi-Sil T-600

Particle Size1

(IJm)

2

4

4 .5

5.5

, Median partiels s ize by laser diffraction

SET Su rface Area (m 2/g)

170

220

150

170

pH 6.9

6 .9

6.9

6.9

Product Offering Hi-Sil T-690

Hi-Sil T-700

Hi-Sil T -1 52

Hi-Sil T-600

Hi-Sil thickening agents are

ideally suited for applications

that inc/ude industrial, architec

turaI, au tomotive, and specialty

coating finishes.

USA· PPG Silica Products • Customer Service: 1-800-243-6745 • Technical Service: 1-800-764-7369 EUROPE • PPG Industries Chemicals bv • Customer Service: +31-596-676710 • Technical Servioe: +1-724-325-5369

résines époxydes renforcées avec des fibres naturelles...les résultats démontrent que...

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