Variation des propriétés des composites en fonction des caractéristiques des fibres

L’extrusion

L’extrusion est un procédé par lequel il est possible de produire en continu des produits finis tels des tubes, des lisses et des films à partir de matière plastique sous forme de granulé. La figure 2.1 montre le principe de fonctionnement d’une extrudeuse monovis. En résumé, le principe de fonctionnement d’une extrudeuse repose sur le principe d’une vis d’Archimède, dont le mouvement de rotation pompe les granules de plastique de la zone d’alimentation vers la sortie de la filière, d’où le plastique fondu sort et fige ensuite selon le profil désiré. La vis hélicoïdale est conçue de manière à ce que la friction soit maximale dans le plastique et comporte trois zones distinctes (Zaddi, 2003) :

• La zone d’alimentation représente la partie où les granules de plastiques sont amenées entre la vis et le cylindre. Cette zone se caractérise par la présence des filets les plus profonds pour faciliter l’entraînement de la matière dans le cylindre. À ce stade, les granules de plastique commencent à fondre sous l’effet de la chaleur des cylindres.

• La zone de compression est située au centre de la vis, où la friction est maximale, c’est-à-dire que l’espace du plastique est réduit par une augmentation progressive du diamètre du noyau de la vis, donc une réduction des filets. Cette zone porte également le nom de zone de fusion ou plastification, puisque c’est à cet endroit que le polymère est fondu, ce qui est majoritairement causé par le cisaillement.

• La zone de pompage sert à homogénéiser la matière fondue provenant de la zone de compression et à la transporter jusqu’à la filière, où l’extrudat sera formé et solidifié selon le type d’objets que l’on désire fabriquer. Cette zone se caractérise par une profondeur de filet et un débit constants. C’est la filière qui détermine la forme finale du produit polymérique.

Cependant, ce dernier étant souvent à l’état semi-solide, il nécessite des systèmes de refroidissement, de tirage et de coupe. Les principaux paramètres d’extrusion sont la vitesse de rotation des vis et l’ajustement du profil de température dans les barils et la filière. De trop hautes températures et vitesses de rotation engendrent la dégradation des fibres, et même du polymère (Le Baillif et Oksman, 2006). La technologie d’extrusion double-vis s’inspire grandement de celle des monovis. Cependant, les extrudeuses double-vis sont conçues de manière à ce que leurs filets interpénètrent les uns dans les autres. Il en résulte un débit proportionnel à la vitesse de rotation de la vis et un profil de pression plus stable, améliorant ainsi les capacités de mélange et permettant une plus grande homogénéité de la matière dans l’extrudat. Les vis peuvent tourner dans le même sens ( corotative) ou en sens inverse (contre-rotative) et leur configuration peut être cylindrique ou conique. Les extrudeuses coniques s’opèrent généralement à de plus faibles vitesses de rotation, puisqu’elles génèrent des pressions plus importantes en bout de vis. L’extrusion produit toutefois une dégradation importante des fibres et engendre souvent des cassures (Gamstedt et al., 2006).

Présentation des matériaux composites

Un matériau dit composite est défini comme étant une combinaison d’au moins deux matières macroscopiques distinctes, l’une étant la matrice constituant la base du matériau simple, et l’autre étant le renfort constituant la matière qu’on désire insérer dans la matrice afin de modifier ses propriétés. Les matrices peuvent être des matériaux bruts fondus tels des métaux, des résines thermodurcissables ainsi que des matières thermoplastiques. D’autre part, les renforts peuvent être constitués de différents matériaux sous forme de poudre, fibres, granules et même sous forme de fibres tissées (longues). Dans le cas du bois, les renforts se retrouveront principalement sous forme de fibres courtes, de pâtes et de farines. La caractéristique principale des composites est de pouvoir tirer avantage des propriétés de chacune des matières qui les compose. Les matériaux composites se caractérisent aussi par leur caractère anisotrope et fortement hétérogène. L’adhésion entre la matrice et les renforts constitue un des principaux facteurs de succès pour l’obtention de matériaux composites aux propriétés mécaniques améliorées. Dans le cas des CBP, le bois étant un matériau hydrophile et le plastique hydrophobe, on doit utiliser des liants chimiques pour améliorer l’adhésion. Une autre solution courante pour stabiliser ces matériaux réside dans le traitement chimique des fibres, tel l’acétylation. Les composites sont généralement utilisés pour diminuer les coûts de matière première, pour leur résistance à la corrosion et à la fatigue et pour leurs propriétés mécaniques accrues par rapport à l’utilisation de la matrice vierge. Il est possible d’améliorer grandement la résistance en traction par l’orientation des fibres.

La matrice thermoplastique

Un premier type de matrice thermoplastique rencontré dans la fabrication de CBP est les polyoléfines, tels les polyéthylènes (PE) et les polypropylènes (PP). Aussi, on retrouve de plus en plus de données sur le polychlorure de vinyle (PVC) dans la littérature, puisqu’il s’agit d’un polymère plus résistant et plus durable que les polyoléfines. Les thermoplastiques se présentent sous différents grades, variant entre autres avec leur niveau de cristallinité et leur masse moléculaire moyenne respective. Cependant, la prochaine section traitera uniquement des propriétés des polyoléfines par rapport aux autres matériaux et plastiques. Les polyoléfines comme le PP et le PE (haute ou basse densité) sont reconnues pour leur facilité de mise en forme ainsi que pour leur bas prix. Leur aspect est généralement blanc laiteux et offre une sensation cireuse au toucher. Leurs propriétés mécaniques dépendent fortement de leur masse molaire et aussi du sens de l’orientation des chaînes polymériques. Les polyoléfines possèdent une très bonne stabilité chimique et sont pratiquement insolubles dans toutes substances (acides, bases et sels) à une température inférieure à 60 °C (Trotignon et al., 1996), ce qui explique leur utilisation dans la conception de récipients alimentaires. D’autre part, elles sont sensibles aux rayons ultraviolets surtout en présence d’oxygène, mais on peut contrôler le phénomène par l’ajout d’un photostabilisant. Ces plastiques sont d’excellents isolants électriques et possèdent une stabilité dimensionnelle accrue due à leur caractère hydrophobe. Par contre, lors du moulage, un retrait important est à prévoir, en raison de la différence entre leur densité à l’état solide et fondu (Tableau 2.1 ). Il est à noter que le PVC et I’ABS sont des polymères amorphes, donc ils ne possèdent ni température de fusion, ni d’indice de cristallinité. Les propriétés des composites varient aussi en fonction du type de renfort utilisé; le tableau 2.2 en présente un exemple pour le polypropylène chargé de différentes matières.

Les fibres de bois

Le bois est un matériau qui se caractérise par son hétérogénéité et son anisotropie. Parmi les facteurs qui contribuent à son hétérogénéité, il y a les essences feuillues et les essences résineuses, qui se distinguent par leurs compositions anatomiques et chimiques différentes. Aussi, le bois de coeur, étant mort, contient plus d’extractibles que le bois d’aubier. De plus, les propriétés des trachéides, des vaisseaux et des fibres dans le bois, varient en fonction de l’âge, de leur localisation dans l’arbre .et du type d’essences. Par exemple, la longueur des trachéides chez les conifères est plus courte dans le bois juvénile et augmente vers le bois mature. Le terme fibres regroupe donc l’ensemble des cellules allongées présentent dans le bois. On retrouve les parenchymes et les trachéides chez les conifères. Les trachéides ont de forme allongée, variant de 2 à 7 mm de longueur, et constituent 85% à 95% du volume total des fibres. Chez les feuillus, on retrouve en plus des cellules spécialisées comme les vaisseaux, les trachéides vasculaires et les fibres-trachéides. La majeure partie du volume ligneux pour ces essences provient des vaisseaux Uusqu’à 55%), dont la longueur varie de 0,2 à 1 ,3 mm et des fibres Uusqu’à 70%), dont la longueur varie de 0,6 à 2,6 mm (Jozsef, 1983). Les fibres de bois utilisées dans le domaine des CBP à matrice thermoplastique sont généralement réduites sous forme de farine (wood flour). La caractérisation des fibres s’effectue notamment sur le plan de l’essence, sur la taille des fibres, sur la nature des fibres (vierges ou recyclées) et sur les procédés de défibrage utilisés. Jusqu’à présent, très peu d’études sont consacrées à l’effet des propriétés des fibres de bois sur les propriétés des CBP. En effet, plusieurs chercheurs ont mis l’emphase sur le développement d’adjuvants et les travaux sont effectués à partir de fibres de bois dont la longueur se situe dans les classes variant de 150 à 425 1-1m (40 à 80 mesh) ( Wolcott, 2003; Achilleos et al., 2002; ·George et al., 2001; Saheb et Jog, 1999). Pour la préparation des fibres, on retrouve trois objectifs (Raj et Kokta, 1991) :