MATERIAUX COMPOSITESA MATRICES THERMOPLASTIQUESET FIBRES COURTES MINERALES

I. GENERALITES

Généralement l'incorporation de ces charges modifie les propriétés des matériaux polymères de la manière suivante:

1.1. En augmentant:

- La viscosité du polymère fondu- Son pouvoir abrasif- La densité- La dureté- Le module d'élasticité E- La résistance à la rupture R

- L a résilience à basses températures [ charges non fibreuses]- La stabilité dimensionnelle - Le HDT

1.2. En diminuant

- L'allongement à la rupture- Le fluage (Voir HDT)- La qualité et l'aspect de surface- La reprise d'humidité- Le retrait au moulage dans la direction des fibres, c'est-à-dire, du flux matière.- Le coefficient de dilatation linéaire dans la direction des fibres.

II. FIBRES.

1. Fibres de verre

Il s'agit exclusivement de fibres de verre E obtenues à partir de Roving coupés.L'expérience montre que les caractéristiques optimales des thermoplastiques renforcés TPR sont atteintes avec des fibres présentant une longueur initiale comprise entre 3 et 6 mm et un diamètre compris entre 10 et 15 m.Le taux de verre optimal est compris entre 20 et 40 % en poids.La composition de l'ensimage est fondamentale: dans tous les cas de figure cet ensimage est composé de silanes.Les matrices les plus utilisées sont principalement:

- Le PP et le PA- Les Polyester Insaturés

2. Fibres de carbone

Les Compounds thermoplastiques chargés fibres de carbone ne représentent pas 1 % du tonnage des compounds thermoplastiques renforcés.

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Les matrices les plus utilisées sont:- Les thermoplastiques thermostables- Les Epoxy

3. Fibres Aramides

Il n'existe pas de Compounds thermoplastiques chargés fibres Aramides.Les fibres Aramides se présentent exclusivement sous forme de tissus en association ou non avec des tissus Carbone.On utilise les tissus Aramides pour accroître la résistance à la fatigue sous flexions alternées Les tissus Aramides ont une grande résistance à la déchirure (gilet pare- balles)

III. COMPOUNDS THERMOPLASTIQUES A FIBRES COURTES.

1. Extrudeuses Mono-vis

L'introduction de la fibre de renfort par simple gravité peut provoquer des phénomènes d'obstruction au pied de la trémie. C'est pourquoi il est préférable d'utiliser des trémies avec dévoûteur.La mono vis doit posséder une grande profondeur de filet dans sa zone d'alimentation.

Si les fibres transitent par un dispositif de pesée (Figure 2) alors le dispositif de dosage est appelé "Doseur Gravimétrique". Sinon le dispositif nécessite l'étalonnage des doseurs (Vis pilotées par un générateur de fréquences). Dans ce dernier cas le dispositif est appelé "Doseur Volumétrique"Un doseur Gravimétrique coûte 10 000 E soit environ 10 fois plus cher qu'un doseur Volumétrique.Pour éviter aux fibres de se casser il est préférable d'introduire le renfort dans le polymère fondu. (Figure 3). La technique de compoundage avec Mono Vis est la plus couramment utilisée car la moins onéreuse et la plus facile d'emploi.

2. Extrudeuse Bi-vis

Pour des débits supérieurs à 500 Kg par heure on utilise des extrudeuses Bi vis.Une extrudeuse Bi Vis de 500 Kg / heure revient 200 000 Euros soit 10 fois plus chère qu’une extrudeuse Mono vis.Une Bi vis est plus agressive qu'une mono vis. Elle provoque une diminution de la longueur moyenne des fibres.La double vis offre également la possibilité d'alimenter l'extrudeuse par des fils continus. L'introduction du Roving est faite dans le polymère fondu. (Figure 9).

3. Malaxeur BUSS

Ce malaxeur est très utilisé pour la fabrication de compound à base de fibres fragiles comme les fibres végétales en particulier (lin, chanvre…).Il ne permet pas d’atteindre des débits aussi importants que l’extrudeuse bi vis.

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IV. CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES TPR CHARGES FIBRES

1. Résistance au choc à température ambiante

D'une manière générale, pour un polymère amorphe qui aurait une bonne résistance au choc à température ambiante, l'introduction de fibres abaisse sa résilience.

Résistance au choc IZOD avec entaillePoly carbonate PPO PA 66 Sec PP

Matériau vierge 756 J / m 270 J / m 54 J / m 38 J / m30 % FV 108 J / m 108 J / m 107 J / m 92 J / m

INTERPRETATION

Cas d'un amorphe: La vibre rigidifie la matrice (force de Debye) et donc la résistance à l'impact décroit.Cas d'un semi Cristallin: La fibre limite la cristallisation et donc accroit le pourcentage de phase amorphe. Cette phase amorphe est souple et donc la résistance à l'impact augmente.

3. Contrainte de rupture par traction.

Elle dépend principalement de l'adhésion "fibres / matrice"

CONSEQUENCELa contrainte de rupture de la fibre étant plus importante que celle de la matrice, la contrainte de rupture du matériau chargé est supérieure à celle du matériau vierge. (Figure 15)

4. Stabilité thermique sous contrainte

Les chaînes d'un semi cristallin sont moins encombrées que celles d'un amorphe. Les chaînes de la phase amorphe d'un semi cristallin sont à l'origine d'une plus grande aptitude au fluage à chaud. Par suite, le HDT (expérience de fluage) d'un matériau semi cristallin est généralement plus faible que celui d'un matériau amorphe.L'introduction de charges améliore toujours le HDT. Si ces charges sont fibreuses l'augmentation est plus importante.Relativement le gain de rigidité est donc plus important pour les matériaux semi cristallin,en effet, toute proportion gardée, la concentration en charges est pour eux plus importante dans la phase amorphe. (Figure 20 et 21)

V. EXERCICE

d PA 66 = 1,14d verre E = 2,59On considère un mélange PA 66 - 30 % FV.1. Déduire le pourcentage en volume de fibres dans le matériau?2. Déduire la densité du compound PA 66 - 30 % FV?

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REPONSES:

1. Dans 100 grammes de compounds PA 66 30 % de FV on a:- 30 grammes de verre soit:30 / 2,59 = 11,58 cm 3 de verre- 70 grammes de PA 66 soit:70 / 1,14 = 61,40 cm3 de PA 66Volume total = 72.98 cm3

Pourcentage de verre en volume = 15.87 %

2. Dans 100 grammes de compounds on a un volume total de 72.98 cm3

Soit une masse volumique de 100 / 72.98 = 1.37 grammes par cm3

VI. EXERCICE

Soit 2 composites de même matrice, chargés 30 % Fibres de verre.L'une est chargée FV et l'autre billes de verre E.Les fibres sont constituées de filaments de 10 m de diamètre et d'environ 5 mm de longueur.Les billes sont des sphères de 200 m de diamètre.

On rappelle que le Volume d'une Sphère est (4/3).π.R3 et que sa Surface est4.π.R2

Des 2 matériaux cités ci-dessus, lequel aura le plus grand module d'Elasticité à basse température? Justifier.

Pour quelle valeur du diamètre des billes avons-nous inversion du précédent résultat?

VII. AGRO MATERIAUX DANS L'AUTOMOBILE

1. Introduction

On est naturellement amené à penser que si les "Polymères Biodégradables" ont plutôt vocation à être utilisés dans des secteurs très particuliers (Restauration rapide, chirurgie..), les mélanges de "Polymères + Fibres Végétales" pourraient déplacer de certaines de leurs applications les mélanges traditionnels "Polymères + Fibres de Verre"

La conjoncture économique fait qu'on pense plus particulièrement aux Polymères de synthèses les plus bon marché (PP, PE et PVC) et aux Fibres Végétales régionales (Bois, Lin Chanvre...)

Le secteur de l'automobile est le moteur du développement de ces nouveaux mélanges. Les intérêts financiers pas toujours évidents font que les mélanges qui, actuellement, se démarquent le plus sont les mélanges "PP + Fibres de Chanvre 30 %".

2. Mise en œuvre des compounds

2.1. Généralités

- Le PP est apolaire et la Fibre de Chanvre est polaire. Les matériaux sont donc incompatibles.- Le PP est hydrophobe et la Fibre de Chanvre est hydrophile. La fibre de Chanvre doit donc

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être séchée avant l'élaboration des compounds. (2H à 100°C).

Pour mouiller au mieux la fibre il faudra prendre des grades très fluides de PP (faible DP)La mise en œuvre se fait entre 170 et 200 °C maxi (début de dégradation de la fibre végétale)Pour masquer la teinte due à la dégradation inévitable des fibres de Chanvre, on pigmentera le compound avec du Noir de Carbone.

2.2. Le compoundage:

2.2.1. Sur mono vis:

Travailler en mode Starved Feeding pour dégazer

2.2.2. Sur Bi vis

Prévoir un puits de dégazage

2.2.3. Sur compoundeur BUSS

Compoundeur AFT Plasturgie (Fontaine les Dijon)Prix HT départ usine pour 1 Tonne 1,5 Euro / Kg

3. Propriétés des Mélanges "PP + 30 % Fibres de Chanvre"

3.1. Energie de Rupture

E Rupture en traction < E Rupture du grade PP 30% FV par exempleE Rupture par Choc > E Rupture du grade PP 30 % Fibres de verre

INTERPRETATION:La fibre de verre est plus rigide que la fibre de Chanvre.La fibre de verre est mieux ancrée dans la matrice PP car elle est ensimée. Les interactions Fibres de verre matrice sont donc intenses.

3.2. Aspect des pièces moulées

La fibre de chanvre apparaît en surface.Ceci résulte du manque de compatibilité entre la fibre de chanvre et la matrice.Pour éviter ce phénomène il faudrait déposer un ensimage particulier sur la fibre végétale pour améliorer sa compatibilité avec la matrice. Rien n'est fait sur ce point aujourd'hui.

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