Généralité sur la structure des fibres naturelles
Les fibres naturelles (jute, chanvre, lin, sisal, fibre de bois, etc.) sont des structures biologiques principalement composées de cellulose, hémicelluloses, de pectines, de lignine et d’une proportion d’extractibles généralement faible (gommes, résines, protéines, etc.) (Michaud, 2003).
La cellulose est un polymère dont le monomère est la cellobiose formée de deux molécules de β-glucose. Elle possède des hydroxyles (OH) libres sur les positions 2, 3, et 6, une liaison β (1 – 4) et une conformation chaise pour garantir une bonne stabilité . La lignine est une macromolécule faite de bisphénols connaissant plusieurs substitutions. Les hémicelluloses sont des mélanges de molécules de sucres. Au point de vue structural, les fibres naturelles sont composées de fibres ultimes constituées de cellulose dont des portions sont amorphes et d’autres sont cristallines.
Le regroupement de plusieurs fibres ultimes à travers la lignine et les hémicelluloses forment les microfilaments qui, à leur tour, sont groupés en microfibres toujours avec la lignine et les hémicelluloses. Des blocs de microfibres sont maintenus par l’humus constitué en majorité par la lignine et des hémicelluloses . Les fibres naturelles peuvent donc être considérées comme des biocomposites dont le renfort est la cellulose et la matrice est un mélange de lignine et d’hémicelluloses (Fotso-Talla, 2008).
Chanvre
Le chanvre industriel (Cannabis Sativa L) est une plante à racine pivotante pouvant dépasser quatre mètres de haut, qui lui confère l’avantage de produire de longues fibres largement utilisées dans le renforcement des plastiques (Kabir et al., 2011). Son caractère imputrescible lui confère un intérêt tout particulier en construction navale pour le calfatage des navires, la voilure ou les cordages. Très prisées dans les marchés du bâtiment et de la plasturgie, les fibres de chanvre permettent une bonne réduction du poids des pièces, ainsi qu’une amélioration des perspectives de recyclage et de protection de l’environnement (Pracella et al., 2006).
Avec environ 70% de cellulose, les fibres de chanvre ont un grand potentiel de renforcement des résines de polyesters pour diverses applications (Aziz et Ansell, 2004). Au Canada, c’est la compagnie Hempline Inc. (Delaware, Ontario, Canada) (appelée désormais Stemergy) fondée en 1994, qui est la pionnière de l’industrie canadienne du chanvre industriel et est depuis devenue le leader dans l’industrie des fibres de chanvre en Amérique du Nord (Hanks, 2002). Elle est spécialisée dans la fourniture de fibres de chanvre utilisées comme charges et renforcement pour l’industrie des composites. Des chercheurs américains et chinois (Oza et al., 2011) ont obtenu des fibres de chanvre de la compagnie Hempline Inc. pour étudier l’effet de leur traitement chimique sur les propriétés thermiques et mécaniques des composites à fibres de chanvre avec une matrice polyéthylène haute densité (HDPE). La densité moyenne de la fibre était de 0.86 g/cm3 et la teneur en humidité était d’environ 6%.
Polyéthylène téréphtalate (PET)
Les matériaux thermoplastiques constituent une importante classe de matériaux synthétiques dérivés de polymères linéaires ou légèrement ramifiés. Ils présentent de nombreuses propriétés parfois inégalables. Ils se caractérisent par leur aptitude à conserver leur plasticité à chaud et leur rigidité à froid. Ce sont des matériaux qui, de nos jours, se substituent progressivement aux métaux et aux verres grâce à leurs divers avantages autant au niveau des propriétés mécaniques (rigidité, légèreté, étanchéité, résistance à la corrosion entre autres) qu’au niveau économique (rapport qualité / prix).
Parmi les matériaux thermoplastiques semi-transparents, le polyéthylène téréphtalate est le plus utilisé en industrie. C’est un polyester dur et tenace obtenu par polycondensation à partir des produits de base qui sont l’acide téréphtalique et l’éthylène glycol . Sa structure peut être amorphe ou partiellement cristalline. La possibilité de passer d’une phase à l’autre dépend fortement de la température. En effet, en dessous de la température de transition vitreuse (Tg ≈ 80oC), les chaînes ne sont pas assez mobiles et le matériau est rigide, avec une microstructure figée.
Table des matières
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 GÉNÉRALITÉS SUR LES BIOCOMPOSITES POLYMÈRE/FIBRES
VÉGÉTALES
1.2 ÉTAT DE L’ART SUR LES BIOCOMPOSITES DE TYPE PET-CHANVRE
1.2.1 Généralité sur la structure des fibres naturelles
1.2.2 Chanvre
1.2.3 Polyéthylène téréphtalate (PET)
1.2.4 Mise en œuvre des composites PET-Chanvre
1.3 THERMOFORMAGE DES THERMOPLASTIQUES
1.3.1 Introduction au thermoformage
1.3.2 Polymères thermoplastiques semi-transparent.
1.3.3 Polymères thermoplastiques opaques
1.4 MODÉLISATION DE L’ÉTAPE DE CHAUFFAGE EN THERMOFORMAGE
1.4.1 Émetteurs et propriétés optiques
1.4.2 Surfaces de radiations mutuelles
1.4.3 Modélisation du chauffage infrarouge en thermoformage
1.5 PROBLÉMATIQUE
1.6 OBJECTIF DE L’ÉTUDE
1.6.1 Objectif général
1.6.2 Objectifs spécifiques
1.7 MATÉRIEL ET APPROCHE DE MODÉLISATION INFRAROUGE
1.7.1 Composites PET / Chanvre
1.7.2 Propriétés thermophysiques du PET/Chanvre
1.7.3 Modélisation du chauffage infrarouge
1.7.3.1 Équation de conservation de l’énergie et formulation éléments finis
1.7.3.2 Équation de transfert radiatif et méthode des ordonnées discrètes
1.7.3.3 Modélisation dynamique du couplage conduction-radiation
1.8 ORIGINALITÉS DE LA THÈSE
1.9 CONTENU DE LA THÈSE
CHAPITRE 2 PROPRIÉTÉS THERMOPHYSIQUES DES BIOCOMPOSITES PET/CHANVRE30
2.1 CONDUCTIVITÉ THERMIQUE
2.2 CAPACITÉ CALORIFIQUE
2.3 DENSITÉ
CHAPITRE 3 CALCUL DES FACTEURS D’ÉCHANGE MUTUEL
3.1 SCHÉMATISATION DU CHAUFFAGE INFRAROUGE DES PRÉFORMES
3.2 RAYONNEMENT INFRAROUGE INTERCEPTÉ PAR LA MEMBRANE
3.3 RAYONNEMENT INFRAROUGE ABSORBÉ PAR LA MEMBRANE
3.4 SURFACES DE RADIATIONS MUTUELLES.
3.4.1 Méthodes d’intégration directe
3.4.2 Méthode d’intégration de surface
3.4.3 Méthode de contour
3.4.4 Méthode d’aire-intégration
3.4.5 Méthode statistique de Monté Carlo
3.4.6 Approche retenue: la méthode semi-analytique
CHAPITRE 4 MODÉLISATION ET VALIDATION RADIATION CONDUCTION.
4.1 MISE EN ÉQUATION DU CHAUFFAGE INFRAROUGE
4.1.1 Équation de conservation de l’énergie (ECE)
4.1.2 Expression du terme source radiatif
4.1.3 Équation de transfert radiatif (ETR)
4.1.4 Modèle réduit de l’ETR
4.1.4.1 Hypothèse du milieu non-diffusant
4.1.4.2 Hypothèse du milieu froid
4.1.4.3 Loi de Beer-Lambert
4.2 RÉSOLUTION DE L’ÉQUATION DE TRANSFERT RADIATIF PAR LA
MÉTHODE DES ORDONNÉES DISCRÈTES (MOD)
4.2.1 Système de référence
4.2.2 Modélisation en une dimension d’espace
4.2.3 Condition de symétrie azimutale et conditions aux limites radiatives
4.2.4 Discrétisation angulaire
4.2.4.1 Choix de la quadrature
4.2.4.2 Discrétisation angulaire de l’ETR
4.2.5 Discrétisation spatiale
4.2.5.1 Calcul des intensités radiatives
4.2.6 Cas particulier : Équilibre radiatif
4.2.7 Validation du code fortran MOD 1D stationnaire (MOD1D.f)
4.2.7.1 Validation 1 : Équilibre radiatif et calcul de la température adimensionnelle
4.2.7.2 Validation 2 : Équilibre radiatif et calcul du flux radiatif adimensionnel
4.2.7.3 Validation 3 : Hors équilibre radiatif et calcul de la divergence du flux radiatif
comparé avec la solution analytique de Beer-Lambert
4.3 COUPLAGE CONDUCTION-RADIATION MEF/MOD
4.3.1 Linéarisation du terme source radiatif
4.3.2 Discrétisation par la méthode des éléments finis 3D
4.3.3 Conditions aux limites et initiales
4.3.4 Méthode de Galerkin
4.3.5 Assemblage
4.3.6 Schéma d’intégration du temps
4.3.7 Schéma d’intégration explicite monopas
4.3.8 Schéma d’intégration implicite monopas
4.3.9 Algorithme de résolution du couplage FEM / MOD
4.3.10 Méthodes itératives de résolution des problèmes thermiques non linéaires
4.3.10.1 Cas du régime stationnaire
4.3.10.2 Cas du régime transitoire
4.3.11 Validation 1D des codes Fortran stationnaire et transitoire non linéaire
4.3.11.1 Validation 1 : Code FEM1DNL Problème Derichlet/Dérichlet transitoire
4.3.11.2 Validation 2 : Code FEMMOD Couplage conduction-radiation
4.3.11.3 Validation 3 : Code FEM 3D et 1D cas d’une plaque en absence de source
radiative.
4.4 VALIDATION NUMÉRIQUE DE LA RÉCHAUFFE D’UNE PRÉFORME PET
4.4.1 Cas linéaire : Couplage MEF3D et Beer-Lambert 1D
4.4.2 Cas non-linéaire : Couplage MEF1D avec MOD1D
4.4.3 Simulation du couplage MEF1D / MOD1D
4.5 MODÉLISATION NUMÉRIQUE DU CHAUFFAGE INFRAROUGE DU PET
4.5.1 Flux de chaleur reçu par la préforme lors du chauffage
4.5.2 Validation avec les résultats expérimentaux
CHAPITRE 5 MODÉLISATION DE LA RÉCHAUFFE D’UN COMPOSITE PET-CHANVRE
5.1 MÉTHODE DE CHAUFFAGE DES PRÉFORMES
5.2 FACTEUR FORME ET FLUX RADIATIF
5.3 RÉPRÉSENTATION SPATIALE DE LA DISTIBUTION DE TEMPÉRATURE
5.4 ÉVOLUTION DE LA TEMPÉRATURE À TRAVERS LA PRÉFORME
5.5 RÉPARTITION DE LA TEMPÉRATURE À DES TEMPS DE CHAUFFAGE
DONNÉS
CHAPITRE 6 CONCLUSION
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