Choix de la fibre naturelle: Sandwiches

Depuis l’antiquité, l’homme a eu recours aux matériaux composites renforcés de fibres naturelles. Les premiers matériaux composites créés par l ‘homme étaient à base de bois. A titre d’exemple, la construction des murs, à l’ ancienne Egypte se faisait avec de l’argile mélangé avec la paille. Depuis ce temps, l’homme n’a jamais cessé de montrer son intérêt aux fibres naturelles pour plusieurs raisons. En effet, cette utilisation a désormais augmenté dans le temps pour toucher plusieurs secteurs et domaines, appuyée par les amis de la nature puisque les impacts environnementaux des fibres naturelles sont beaucoup moindres que les fibres artificielles. En plus, à des prix réduits, les fibres naturelles peuvent atteindre des propriétés mécaniques intéressantes. Il est très important aussi de valoriser une ressource locale dans un pays forestier comme au Canada où le bois représente non seulement une matière première caractéristique mais aussi une culture. Bien que ces propriétés mécaniques soient remarquablement au-dessous de celles des fibres synthétiques, il n’en demeure pas moins que leur application comme renfort dans les matériaux composites est tellement intéressante.

Le tableau 1 fait la comparaison entre quelques caractéristiques déterminantes en vue d’exploitation entre les fibres naturelles et les fibres synthétiques comme la fibre de verre: Il est indiscutable que les fibres synthétiques ont des propriétés mécaniques toujours supérieures aux autres types de fibres. Cependant, les fibres naturelles se démarquent par leur compatibilité à des applications spécifiques. En effet, dans l’industrie de l’emballage, on n’a pas besoin d’avoir les meilleurs caractéristiques mécaniques possibles, par contre, on cherche un matériau qui assure la biodégradabilité, la biocompatibilité, la perméabilité sélective ou encore les propriétés physico- mécaniques modifiables d’où le grand intérêt aux matériaux composites en polymère à fibres naturelles..

De surcroit, les fibres naturelles offrent une très grande variété d’espèces et de caractéristiques ce qui donne une bonne marge de choix de la fibre correspondant à l’application souhaitée. Il est encore avantageux d’utiliser des fibres naturelles si la ressource est à proximité afin de réduire au maximum le coût de la production et le transport et soutenir les industries locales. Les fibres végétales ont un coût relativement faible par rapport aux fibres de carbone ou aux fibres de kevlar qui représentent la famille des fibres synthétiques. Par ailleurs, les fibres végétales se démarquent par leur masse volumique relativement faible par rapport au fibres synthétiques, ce qui explique l’usage croissant des biocomposites dans le secteur automobile où la légèreté est un critère très recherché. Le tableau 2 présente un comparatif entre les fibres naturelles et quelques autres types de fibres utilisées dans les composites. Beaucoup d’autres composites à fibres naturelles ont été exploités dans les industries locales. Particulièrement, ce sujet parlera des composites à fibres de bouleau jaune

Effet de l’agent de couplage sur le comportement de tribologie des composites polymère-fibres naturelles: Afin de résoudre le problème d’incompatibilité entre les fibres naturelles et la matrice HDPE, il est très souvent nécessaire d’appliquer un revêtement de MAPE sur la surface des fibres. En effet, les impuretés toujours présentes à la surface des fibres naturelles et leur nature hydrophile conduisent à une médiocrité dans les propriétés du composite résultant [45]. Il existe plusieurs autres méthodes de modification de l’état de l’adhésion entre les fibres et la matrice comme l’usage des agents de couplage organiques, les anhydrides tels que l’anhydride maléique, l’anhydride acétique, l’anhydride succinique et l’anhydride phtalique. Aussi, la littérature propose des traitements à la soude avec une silanisation ou une acétylation [46-48]. Grâce à la structure atomique de l’anhydride maléique (la double liaison (-C = C-) et les deux groupements carboxylates (-COO-), une réaction chimique se produit pour créer une forte adhésion à l’interface matrice/fibre (voir figure 10). Ainsi, l’utilisation de polymères maléatés contribue à la dispersion des fibres dans le polymère et améliore ses propriétés mécaniques, par création de liaisons entre les hydroxyles des fibres cellulosiques et les carbonyles des maléates intégrés à la matrice.

Une étude s’intéressant aux propriétés mécaniques et thermiques dynamiques des composites de jute/ HDPE traités avec MAPE rapporte que la température du premier processus de dégradation pour le composite traité avec MAPE était plus élevée que celle des composites sans agent de couplage et le pourcentage de perte de poids par usure durant les processus de dégradation était également plus faible que dans les composites non traités, ce qui prouve que l’ajout de MAPE dans les composites assure une meilleure stabilité thermique d’où une meilleure performance de tribologie [50]. Chand et al. (2006) ont étudié l’effet de l’agent de couplage sur le comportement de tribologie des composites de polypropylène renforcés de fibres de jute. La figure Il montre la variation du taux d’usure avec la charge pour les composites renforcés de fibres de jute non traités (UT), des composites de pp renforcés de fibres de jute traités à la solution MA-g-PP (CT) et des composites pp renforcés de fibres de jute mélangés à la fusion (MA-g-PP) (MT). L’utilisation d’un agent de couplage donne une meilleure résistance à l’usure comparée au composite non traité..

Yousif et al. (2008) ont étudié les conséquences du traitement alcalin (6% NaOH) sur les performances de tribologie des composites polyester renforcés de fibres de palmier à huile traitées et non traitées (T -OPRP et UT -OPRP) en utilisant le dispositif de «Block-on-ring » (BOR) suivant la norme ASTM G 137-95. L’expérience consiste à appliquer une charge normale sur un échantillon en friction contre un anneau tournant.

Les composites T -OPRP et UT-OPRP ont été observés à différentes distances de glissement (0,85- 5 km), à des vitesses de glissement (1,7- 3,9 m / s) et à des charges appliquées (30-100 N) dans des conditions de contact sec. En général, la présence de fibres de palmier à huile non traitées et traitées dans la matrice de polyester favorise les performances de tribologie par rapport au polyester vierge (NP). Le taux d’usure et le coefficient de frottement sont améliorés respectivement d’environ 40 à 80% 23 et de 40 à 70% (voir figures 12 et 13). Le polyester vierge (NP) a donné des résultats médiocres en raison de la rapidité des débris de polyester qui se sont détachés de l’interface, en particulier pour les longues distances de glissement, la charge élevée et la vitesse de glissement. Le TOPRP présentait un taux d’usure spécifique inférieur d’environ Il % par rapport à l’UT -OPRP en raison de l’amélioration des caractéristiques d’adhérence entre les fibres de palmier à huile et la matrice de polyester.

De plus, l’observation au MEB de la surface usée du composite UT -OPRP a montré un décollement et une flexion des fibres, ainsi que la fragmentation et la déformation des régions résineuses. Par contre, le composite T -OPRP présentait moins de dommages par rapport à UTOPRP, où aucun signe de décollement des fibres n’avait été observé. Le coefficient de frottement du composite T -OPRP semble être stable par rapport à l’UT -OPRP qui avait montré un comportement fluctuant pendant le processus de frottement [51]. N. Singh Gill et al. (2009) ont étudié le comportement à l’usure des fibres de bétel non traitées et traitées comme renfort dans les composites polyester (BFRP) dans les mêmes conditions (charge appliquée = 30 N, vitesse de glissement : 2,8 m / s et contact sec).

La comparaison a révélé que la résistance à l’usure augmentait considérablement lorsque les fibres de bétel étaient traitées avec 6% de NaOH. En général, le taux d’usure spécifique (voir équation 3.1) était de l’ordre de 10-8 pour les fibres de bétel traitées et de 10-5 pour les fibres de bétel non traitées. Ceci est dû à la forte adhérence des fibres de noix de bétel avec la matrice de polyester empêchant le retrait des fibres pendant le glissement, c’est-à-dire un faible retrait du matériau..

Influence de la température sur les performances de tribologie

La température joue un rôle crucial dans le processus de fonctionnement des composants de machinerie, ainsi sur leur durée de vie et leur comportement de tribologie dépendamment du matériau en œuvre. Il est évident que ces composants comme les engrenages, les paliers et les arbres fabriqués à base de polymère se comportent différemment que ceux fabriqués en métaux surtout durant le fonctionnement puisqu’on parle de deux paliers de propriétés thermomécaniques différents. Ainsi, la température influence directement l’endommagement des composantes en plastiques. Dans le cas des plastiques, on parle toujours de température limite appelée Tg ou encore «température de transition vitreuse ».

Cette température limite considérablement la marge d’utilisation des matériaux en plastiques dans plusieurs applications car pour les polymères en général, elle demeure très basse comparée à celle des métaux. Plus encore, les problèmes d’échauffement s’aggravent davantage lors de l’utilisation des matériaux plastiques dans des applications dépourvues de lubrifications [23, 48,61-63]. L’usure et le frottement des polymères sont affectés par les variations de la température de surface.

On sait depuis longtemps que la température de surface de glissement a une forte influence sur l’usure et le frottement des polymères [64-66] . Bien qu’il soit généralement admis que l’usure augmente avec la température de surface [64, 65], la relation entre température et usure n’est pas simple à déterminer. Elle dépend également des paramètres de fonctionnement tels que la vitesse de glissement, la pression de contact et les matériaux eux-mêmes [67-69]. Lancaster et al. (1971) ont montré que certains polymères présentaient un taux d’usure minimal à une certaine température de surface. Ils ont constaté que le taux d’usure de nombreux polymères augmente de manière significative lorsque la température de la surface du polymère dépasse un seuil critique. Plusieurs auteurs ont parlé du comportement thermomécanique des thermoplastiques élaborés dans des applications comme les engrenages. Ils ont affirmé que l’élévation de la température des engrenages en plastique roulant contre eux-mêmes contribue majoritairement à l’usure des dents et mène à l’endommagement précoce surtout sous l’ effet de grandes charges. S.Senthilvelan et al (2006) ont montré que le renforcement des engrenages en nylon 6/6 par des fibres de verre et de carbone réduit la capacité de génération de chaleur interne dans la matrice polymère pendant le chargement cyclique [70, 71] (voir figure 15).