Introduction général :
Les matériaux composites sont des arrangements de
renforts (appelés aussi charges) qui sont noyés dans une matrice.
Un matériau composite peut être défini comme l'assemblage
de deux ou plusieurs matériaux, l'assemblage final ayant des
propriétés supérieures aux propriétés de
chacun des matériaux constitutifs.
Le bois est un matériau écologique qui, dans le
contexte de développement durable actuel, suscite un
intérêt croissant. Il possède notamment de nombreux
avantages techniques une bonne résistance mécanique, une faible
densité, des propriétés isolantes, un caractère
renouvelable, un faible coût et un esthétisme agréable.
Mais lorsqu'il est utilisé en tant que matériau, il
présente certains défauts liés notamment à son
anisotropie, son caractère hydrophile et sa photosensibilité ces
propriétés ont un impact non négligeable sur son
vieillissement (instabilité dimensionnelle, biodégradation, photo
dégradation...). Le caractère hydrophile de la matière
lignocellulosique est également responsable des problèmes de
compatibilité entre fibre et matrice, lorsque le bois est utilisé
en tant que charge, dans le domaine des composites à matrice
polymère [1].
Nous présenterons ici un composte dont la matrice
polymérique qui est l'ABS (acrylonitrile butadiène
styrène) renforcée par la farine de bois.
Les matériaux
composites
CHAPITRE I Les matériaux composites
Un matériau composite est constitué de renfort
qui assure la tenue mécanique et d'une protection appelée matrice
qui est généralement une matière plastique (résine
thermoplastique ou thermodurcissable) et qui assure la cohésion de la
structure et la retransmission des efforts vers le renfort. Il existe un grand
nombre de matériaux composites que l'on classe
généralement en trois familles en fonction de la nature de la
matrice :
· les composites à matrices organiques (CMO) qui
constituent, les volumes les plus importants à l'échelle
industrielle,
· les composites à matrices céramiques
(CMC) réservés aux applications de très haute
technicité et travaillant à haute température comme le
spatial, le nucléaire et le militaire,
· les composites à matrices métalliques
(CMM) [1].
I .Les matériaux composites
I.1 HISTORIQUE:
Le bois fut le premier matériau composite naturel
utilisé, ensuite le torchis a été utilisé en
construction pour ses propriétés d'isolation et de coût.
Parmi les premiers composites fabriqués par l'homme on trouve
également les arcs Mongols (2000 ans av. J.-C.). Leur âme en bois
était contrecollée de tendon au dos et de corne sur sa face
interne.
- 1823 : Charles Macintosh a créé
l'imperméable avec du caoutchouc sur des tissus comme le coton.
- 1892 : François Hennebique a déposé le
brevet du béton armé (le composite utilisé en
construction) avec le béton qui forme la matrice et
l'acier qui forme le renfort [1,2].
I.2 Renforts :
Le renfort est le squelette supportant les efforts
mécaniques. Les renforts peuvent être classés selon :
1. leur composition : métal, verre, polymère, etc.
;
2. leur forme : Fibres : courtes (0,1 - 1 mm), longues (1 - 50
mm) ou continues (tissus ou textures multidirectionnelles : > 50 mm).
Charges renforçantes : gravier (additionné au
ciment pour fabriquer le béton), sable, billes de verre, etc. ;
3. leur disposition : mat ou tissé.
Le renfort peut être seul au sein d'une matrice (composite
homogène) ou associé à un renfort de nature
différente (composite hybride).
Les fibres possèdent généralement une bonne
résistance à la traction mais une résistance faible
à la compression. Parmi les fibres les plus employées on peut
citer :
o Les fibres de verre qui sont utilisées dans le
bâtiment. Le coût de production de ces
fibres est peu
élevé ce qui en fait l'une des fibres les plus utilisées
à l'heure actuelle.
o Les fibres de carbone utilisées pour des
applications structurantes. Elles sont obtenues par la pyrolyse d'un
précurseur organique ou non sous atmosphère
contrôlée. Le plus utilisé de ces précurseurs est le
poly acrylonitrile (PAN). Le prix de ces fibres reste relativement
élevé mais il n'a cessé de diminuer avec l'augmentation
des volumes de production. On les retrouve dans de nombreuses applications dans
l'aéronautique, le spatial ainsi que les sports et les loisirs.
o Les fibres d'aramide (ou Kevlar qui est une
dénomination commerciale) utilisées dans les protections
balistiques comme les gilets pare-balles ainsi que dans les réservoirs
souple de carburant.
o Les fibres de carbure de silicium sont une bonne
réponse à l'oxydation du carbone dès 500 °C. Elles
sont utilisées dans des applications très spécifiques
travaillant à haute température et sous atmosphère
oxydante (spatial et nucléaire). Leur coût de production est
très élevé ce qui limite donc leur utilisation.
o Pour les composites d'entrée de gamme, un
intérêt croissant est porté aux fibres
végétales, comme le chanvre ou le lin (Lin textile). Ces
fibres ont de bonnes propriétés mécaniques pour un prix
modeste, et sont particulièrement écologiques puisque ce sont des
produits naturels [1,3].
I.3 Incorporation des charges:
Les propriétés d'un composite dépendent
non seulement des propriétés des matériaux, le constituant
(matrice et charge), mais aussi de la qualité de l'interface
entre ces deux matériaux (épaisseur, forces interfaciales,
mouillabilité du renfort par la matrice, ...).
I.3.1 Caractéristiques requises par les charges
pour leur incorporation > Nature chimique
Elles ne doivent pas réagir avec la matrice et les
adjuvants, les stabilisants en particulier (inertie chimique). Elles ne doivent
pas avoir d'effet sur l'environnement (atoxicité,
alimentarité).
> Nature physique
Leurs caractéristiques à prendre en
considération sont :
o la couleur et l'indice de réfraction ;
o la densité ;
o le taux de matières volatiles ;
o les dimensions des particules ;
o la dureté Mohs ;
o La dispersabilité.
I.3.2 Apport des charges aux
polymères
Les charges améliorent de nombreuses
propriétés que le matériau polymérique ne
possède pas ou ne permet pas d'obtenir tout seul. Elles permettent
notamment d'obtenir l'un ou plusieurs des effets suivants :
o augmentation de la rigidité et de la dureté ;
o régularisation de l'expansion thermique et du retrait
;
o augmentation de la tenue thermique ;
o diminution du fluage ;
o modification des propriétés rhéologiques
(écoulement, thixotropie) ;
o mise en oeuvre plus facile ;
o modification de l'apparence (opacité, couleur,
texture).
I.3.3 Matières thermoplastiques:
L'incorporation des charges s'effectue rarement au niveau des
autoclaves de polymérisation, sauf en ce qui concerne les résines
polymérisables institue (par exemple le polyamide6) pour
lesquelles les charges peuvent être introduites dans le monomère
de départ. En règle générale, le polymère
préalablement synthétisé subit une nouvelle fusion pour
permettre l'incorporation et la dispersion des charges.
Dans la plupart des cas, on peut utiliser des
mélangeurs rapides à chaud, parfois même des
mélangeurs à cylindres. On pourra, par exemple, effectuer le
mélange de la charge et du polymère en présence d'un
agent mouillant dans un mélangeur à tonneau ou à
ruban, puis procéder a l'extrusion du mélange pour obtenir des
joncs débités en granulés. Le plus souvent, la mise en
oeuvre des matières thermoplastiques chargées sera
effectuée à partir de ces granulés prêts a l'emploi,
contenant le polymère et la charge (et éventuellement d'autres
adjuvants).
I.3.4 Matières thermodurcissables:
n Résines liquides : les charges sont introduites par
le transformateur, dans les résines, au moment du moulage par
coulée, en même temps que catalyseurs, durcisseurs,
accélérateurs, colorants, etc. On prépare de la même
façon les prémix qui sont à base de polyesters
insaturés.
n Poudres à mouler : les charges sont introduites par
le producteur, dans les résines, alors qu'elles sont à un stade
intermédiaire de leur évolution chimique, en même temps que
catalyseurs, colorants, lubrifiants internes, etc. [4,5].
II Charges organiques naturelles:
II.1 Charges cellulosiques:
Les poudres cellulosiques sont utilisees en tant que charges
des resine thermodurcissables (phenoplastes et aminoplastes).Les avantages de
ces matières cellulosiques sont leur coût peu élevé
et leur faible densité ( 1).
n Farines de bois: Elles sont obtenues par
broyage de bois tendre (pin de Scandinavie, sapin, peuplier). La farine, broyee
et sechee, est passee à travers differents tamis pour separer les
particules suivant leurs dimensions (comprises entre 50 et 200 um de longueur
pour quelques dizaines de micromètres de diamètre).
Elles sont utilisees avec les resines phenoliques et
aminoplastes, pour augmenter la resistance aux chocs, abaisser le retrait au
moulage et conferer une meilleure stabilite dimensionnelle aux pièces
moulees .Lors de l'extrusion de compositions thermoplastiques (PP, PE, PS), les
charges diminuent le gonflement à la filière ; elles conservent
une bonne adhérence dans la matrice polymérique jusqu'à un
taux d'incorporation de 5 % en masse et ne modifient pas les caracteristiques
des plastiques charges.
Les farines obtenues à partir de
l'écorce de chêne-liège donnent une bonne
souplesse aux pièces moulees. On les utilise comme charge dans les
joints, les mastics, les compositions pour pavage (revêtements de sol)
[3].
n Farines d'écorces de fruits et de noyaux de
fruits:
Elles sont utilisees dans les matières thermoplastiques
(PP, PEHD, ABS) à un taux d'incorporation compris entre 9 et 23 %, ainsi
que dans les resines phenoliques. Leur influence sur les caracteristiques
mecaniques des pièces peut se resumer ainsi :
o augmentation du module d'Young en traction de 18 à 30 %
;
o augmentation de la resistance en flexion de 10 à 18 %
;
o augmentation du module en flexion de 30 à 56 % ;
o augmentation du module apparent de rigidite de 15 à 29
%.
Par contre, la resistance au choc diminue :
o de 10 % pour le PP ;
o de 32 % pour le PEHD;
o de 56 % pour les ABS ;
et la resistance en traction diminue :
o de 10 % pour le PEHD et les ABS ;
o de 21 % pour le PP.
Par ailleurs, les fortes teneurs en lignine (33 %), en furfural
et en cutine (5 à 6 %) donnent à ces charges des
propriétés de résistance à l'absorption d'eau
[3,6].
II.2 Fibres végétales (coton, bois,
sisal)
Elles sont constituées de cellulose, en totalité
pour la fibre de coton, en partie pour la fibre de bois ainsi que de sisal.
Leur densité est faible et elles sont très sensibles à
l'humidité. Leurs caractéristiques mécaniques sont peu
élevées; en revanche, elles ont une bonne résistance
à l'usure et confèrent l'isolation thermique et
électrique.
> Fibres de sisal
Leur utilisation est en régression mais, en raison de
leur bas prix, elles sont souvent associées aux fibres de verre afin
d'abaisser le coût des pièces. On les rencontre sous forme de mat
ou de fibres coupées dans les pièces moulées à
haute pression.
> Fibres de bois et de coton
Elles sont surtout utilisées pour la fabrication de
panneaux, de feutres, de feuilles. Après avoir été en
général mélangées à des résines
phénoliques, on les stratifie pour fabriquer des éléments
décoratifs ou bien des isolants destinés à
l'électrotechnique.
On obtient les fibres de coton à partir des linters et
des résidus des filatures de coton sous forme de fibres, cordonnets ou
fragments de tissus, bourre de coton. Il faut apporter un grand soin à
leur préparation pour éviter toute impureté (métal,
huile, amidon, caoutchouc) et une trop grande teneur en eau (4 % est un
maximum).
Les cordonnets, dont la longueur varie entre 5 et 30 mm et le
diamètre entre une fraction de millimètre et 2 mm, permettent une
importante amélioration de la résistance aux chocs.
> Fibres de rayonne
Elles sont préparées par coagulation de
solutions de viscose, sous forme de filaments à la sortie des
filières d'une extrudeuse. La rayonne utilisée aussi bien en
flocons qu'en filaments, augmente la résistance aux chocs des produits
moulés d'autant plus que la fibre est plus longue. Par chauffage de
filaments de rayonne imprégnés de solution aqueuse d'un
dialdéhyde tel que le glyoxal, on a pu obtenir une fibre à
propriétés renforçantes améliorées.
> Pâte de cellulose
On obtient un dérivé de la pâte à
papier, de structure fibreuse, par purification alcaline de la pâte
à bois. Cette alpha-cellulose traitée, obtenue très
blanche et très absorbante, est couramment utilisée comme charge
des aminoplastes. Un très bon mouillage est obtenu entre mélamine
formol et fibres. On constate un faible retrait au moulage et une
résistance modérée au choc et à
l'humidité.
> Amidons
Ce sont des hydrates de carbone contenus dans les plantes, en
particulier des polysaccharides ayant pour formule generale (C6 H12 O5) n. On
obtient les polysaccharides à partir des graines de cereales (ble, orge,
riz, maïs). Ces divers amidons sont très differents en grosseur et
configuration : les plus petits sont ceux du riz (3 à 7 um) ; ceux du
maïs font de 15 à 20 um, ceux du ble de 20 à 30 um.
Les amidons sont utilises comme charge pour obtenir des
plastiques à biodegradabilite contrôlee [polyethylène, poly
(acetate de vinyle)] [6].
III. MATRICES:
La matrice a pour principal but de transmettre les efforts
mecaniques au renfort. Elle assure aussi la protection du renfort vis à
vis des diverses conditions environnementales. Elle permet en outre de donner
la forme voulue au produit realise.
Dans le cas des CMC (composites à matrices ceramiques),
la matrice peut être constituee de carbone ou de carbure de silicium. Ces
matrices sont deposees par depôt chimique en phase vapeur (CVD) par
densification d'une preforme fibreuse.
Dans le cas des CMM (composites à matrice metallique) le
materiau composite est constitue :
. d'une matrice métallique (par ex. aluminium,
magnésium, zinc, nickel,...)
· d'un renfort métallique ou céramique (par
ex : fils d'acier, carbone, alumine, poudre de diamant...)
Dans le cas des CMO (composites à matrices organiques) les
principales matrices utilisees sont :
Les thermodurcissables:
Les resines polyesters insatures (UP) peu onereuses qui sont
generalement utilisees avec les fibres de verre et que l'on retrouve dans de
nombreuses applications de la vie courante.
Les resines epoxy (EP) qui possèdent de bonnes
caracteristiques mecaniques. Elles sont generalement utilisees avec les fibres
de carbone pour la realisation de pièces de structure et
d'aeronautique.
Les resines vinylester sont surtout utilisees pour des
applications oft les resines polyester ne sont pas suffisantes. Elles sont
issues d'une modification d'une resine epoxyde et elles sont excellentes pour
les applications de resistance chimique.
Les resines phenoliques (PF) utilisees dans les applications
necessitant des proprietes de tenue aux feux et aux flammes.
Les resines polyimides thermodurcissables (PIRP) pour des
applications à haute temperature.
Les thermoplastiques:
Comme le polypropylène, le polyéthylène, le
polystyrène ses copolymères... [4,5]. III.1
L'acrylonitrile -butadiène- styrène:
- Historique
L'Acrylonitrile Butadiqne Styrne
découvert en 1947, et commercialisé pour la
première fois en 1948 par la société Uniroyal,
l'Acrylonitrile Butadiène Styrène, plus simplement appeler ABS,
présente des qualités de résistance, parfaitement
adaptées à une utilisation industrielle dans le domaine de
l'automobile. Sa mise en oeuvre par injection à faible
température de moulage (entre 210° C et 270 °C), et son temps
d'étuvage de 2 à 4 heures à 90 °C permettent une
production industrielle économique et donc rentable. Le taux de retrait
de la matière après moulage est de 0,4 à 0,7 %, ce qui est
négligeable dans ce type d'application [7].
- Avantages particuliers :
- Rigidité
- Aspect agréable (surfaces dures et brillantes)
- Stabilité dimensionnelle
- Bonne résistance aux chocs et aux rayures
- Assez bonne tenue à la chaleur et à
l'humidité
- Moulage et formage aisés, décoration et
impression facile
Toutes ces qualités ont été
exploitées par l'industrie dans de nombreux domaines tels que
l'industrie automobile (tableaux de bord, calandres...)
l'électroménager, (réfrigérateurs, capotages,
carters...) la radio, la télévision, l'ameublement
(poignées, moulures...), l'outillage (carrosseries de perceuses, manches
d'outils divers...), ou encore la coutellerie (manches de couteaux à
usage professionnel) ou l'informatique (disquettes, souris, boîtiers
d'ordinateurs, etc....) [7,8].
-Inconvénients
- Opacité
- Très électrostatique (nécessité
d'agents antistatiques)
- Tenue chimique assez faible
- Jaunissement à l'extérieur
(nécessité d'un stabilisant)
- Transparence laiteuse [8].
III.2 Définition :
Acrylonitrile butadiène styrène (ABS) (formule
chimique (C8H8) x· (C4H6) y·(C3H3N) z) est un thermoplastique commun.
C'est un copolymère obtenu par la polymérisation du
styrène et d'acrylonitrile dans la présence de
polybutadiène. Les proportions peuvent varier de 15 à 35%
acrylonitrile 5 à 30% butadiène et 40 à 60%
styrène. Le résultat est une longue chaîne de
polybutadiene criss - traverse avec plus courtes chaînes
de poly (styrene - Co - acrylonitrile). Le styrene donne une surface brillante,
impermeable au plastique. Le butadiene, une substance caoutchouteuse, fournit
la resilience à basses temperatures même. Les proprietes sont
creees en caoutchouc durcissant, oil les particules fines d'elastomere sont
distribuees partout dans la matrice rigide.
Production de 1 kg d'ABS exige l'equivalent d'approximativement 2
kg de petrole pour matieres premieres et energie. Il peut aussi être
recycle [9].
III.3 Applications:
Les applications des ABS sont tres variees en raison de
l'ensemble des propriétés de ces thermoplastiques : bonne tenue
à la chaleur, resistance au choc elevee et rigidite.
o Automobile:
Il y a en moyenne 9 à 10 kg d'ABS par automobile
produite actuellement en Europe. Les principales pieces en ABS se trouvent dans
les parties du tableau de bord telle la console d'instruments de bord, ainsi
que dans les orifices de ventilation, les consoles inférieures, les
éléments du système de chauffage ou d'air
conditionné, les poignées de porte, les grilles de calandre
eventuellement chromees, les retroviseurs interne et externe, les
boîtiers des phares arriere, etc. [9,10].
A l'intérieur de la voiture, les pièces sont
généralement d'aspect mat, ce qui fait appel à des
techniques particulieres de polymerisation. On privilegie la resistance
à la chaleur si la piece est placée en haut de l'habitacle,
soumis à l'exposition solaire, les surfaces vitrées des voitures
ayant fortement augmente ces dernieres annees.
A l'extérieur, on peut citer à titre d'exemple
les grilles de radiateur, qui doivent combiner une excellente tenue thermique
à une resistance au choc elevee. Ces dernieres annees, les ABS se sont
trouves concurrences par les polypropylenes, meilleur marché. La
quantité d'ABS par voiture est cependant restee stable en raison de
meilleures proprietes de celui-ci, en particulier sa résistance à
la rayure. Dans l'industrie automobile, la recyclabilité est de plus en
plus un critere primordial pour le choix d'un matériau. L'ABS est l'un
des plastiques le plus facilement recyclables utilisés dans
l'automobile. De plus, le rapport du cot de la matière recyclée
au cot de la matière vierge est nettement plus bas que pour d'autres
polymères (par exemple, le polypropylene) [8,10].
o Électroménager:
Les propriétés recherchées sont diverses
et dépendent de l'application. Par exemple, on privilegie la tenue
thermique pour les fers à repasser, la resistance au choc et la
brillance pour les aspirateurs, la rigidite pour les machines à coudre.
Exemples d'applications :
n pieces frontales ou internes de refrigerateurs, de machines
à laver, etc. ;
n machines à coudre ;
n aspirateurs ;
n robots de cuisine ;
n fers à repasser ;
n percolateurs et moulins à cafe.
En cas de contact avec les aliments, les taux de
monomères residuels dans les ABS doivent être contrôles et
les adjuvants (pigment, stabilisant, lubrifiant) correctement choisis pour
être conformes à la legislation europeenne [7, 8,9].
o Machines de jardinage et outillages
divers:
En plus des tondeuses à gazon qui necessitent une
excellente tenue au choc, on peut citer differents outils, tels que perceuses,
meuleuses, ponceuses, pour lesquels on privilegie la rigidite, la tenue
à la chaleur, et parfois la couleur qui peut être un veritable
label pour certains fabricants.
o Machines de bureau et support de
données:
Ce marché s'est considérablement
développé ces dernières années. On peut citer les
boîtiers d'ordinateur, les claviers, les imprimantes, les souris, les
dictaphones, les machines à calculer, pour lesquels l'aspect, la
résistance à la rayure et à la tenue thermique des ABS
sont determinants. Les disquettes d'ordinateur sont également en ABS, le
polyst yrène, moins coûteux, prenant progressivement la partie bas
de ga mme de ce marche très concurrentiel.
o Jouets, sports et loisirs:
Le caractère incassable et inaltérable de l'ABS
est un atout pour le marché du jouet de qualité. En sport et
loisirs, voici quelques exemples d'applications : rev~tement de skis, bateaux,
casques de sportif, etc.
Des grades appeles « ultra-mat », pour extrusion,
sont employes pour la fabrication de planches à voile. Les feuilles
extrudees ont directement en sortie de filière un aspect graine et mat
grâce à une technique particulière de polymerisation par
suspension des nodules de caoutchouc de polybutadiène.
o Marchés en développement Parmi
les marchés où la consommation d'ABS est en forte croissance, on
peut citer :
n les applications dans le domaine medical, telles que des
elements de transfusion, des filtres, des kits de diagnostics, etc. ;
n les emballages de produits cosmétiques dont
l'esthétique est un des facteurs de marketing les plus importants [8,
9,10].
La farine de
bois
I. Structure et composition chimique de la farine de bois
:
Le tronc d'un arbre est constitué de bois,
d'écorce et d'une couche mince située entre le bois et
l'écorce, appelée cambium (Figure II.1). La fonction de cette
couche est de produire les cellules du bois de l'écorce. Le cambium est
la partie la plus importante de l'arbre.
En effet, les cellules mères qui y sont présentes
participent chaque année à son développement Par division
cellulaire. Il donne naissance au liber vers l'extérieur et au bois
d'aubier vers L'intérieur du tronc [11].
Figure II.1 : Section transversale d'un tronc
d'arbre > Aubier et duramen
Les couches successives de vaisseaux qui se forment sous le
cambium constituent L'aubier qui correspond au bois physiologiquement actif.
Ces vaisseaux cessent peu à peu d'alimenter l'arbre après
quelques années. Ils se bouchent et s'imprègnent de
différentes
Substances : tanins, résines, etc. Cette transformation
progressive en duramen (bois parfait) est appelée duraminisation.
L'aubier est en général plus clair que le duramen.
Il est plus ou moins imprégnable et
ne résiste pas aux champignons lignivores et aux larves
xylophages. Le duramen, au contraire, possède une durabilité
naturelle qui varie selon les essences ; il est en général, peu
ou pas imprégnable (Figure II.2) [3,11].
Figure II.2 : Section transversale d'un tronc
d'arbre > Microstructure du bois
Les plans de référence du bois pour une
description plus fine du bois, à l'échelle de quelques dizaines
de micromètres, il est d'usage d'effectuer les observations suivant des
plans de coupe privilégiés définis sur la (Figure II.3).
Ces plans sont : le plan transversal, perpendiculaire à l'axe de la tige
et sur lequel sont observés les cernes annuels ; le plan radial, passant
au centre de la tige ; et le plan tangentiel qui est excentré,
parallèle à l'axe de la tige et tangent aux cernes annuels.
Les trois directions, axiale (L) radiale (R) et tangentielle
(T), sont les directions d'anisotropie du bois. L'examen microscopique des
trois sections permet de définir l'organisation des cellules
caractéristiques du plan ligneux et ainsi d'identifier un bois
[6,12].
Figure II.3 : Les trois plans de
référence du bois II. Le plan ligneux des résineux
et feuillus :
Les arbres sont répartis en deux grandes
catégories : les gymnospermes (résineux ou conifères) et
les angiospermes (feuillues). Les résineux ont une structure anatomique
simple composée principalement de cellules longitudinales (Figure II.4)
: les trachéides. Les trachéides du bois de printemps
possèdent de nombreuses ponctuations aréolées leur
permettant l'échange de différentes substances. Les
trachéides du bois d'été ont une paroi plus épaisse
et remplissent d'avantage une fonction de soutien. Dans la structure des
résineux on retrouve aussi des cellules de parenchyme en orientation
axiale et radiale qui permettent le stockage de substances nutritives. Chez
certains résineux on trouve des canaux résinifères en
direction axiale, radiale ou les deux [12].
Les feuillus présentent un plan ligneux plus
différencié (Figure II.4). L'ensemble du tissu se compose en
grande partie de fibres orientées axialement ayant une fonction de
soutien. Ces fibres ont une paroi plus épaisse que celles des
trachéides. L'épaisseur de la paroi est variable selon les
essences leur donnant ainsi chacune une densité spécifique. Les
vaisseaux assurent la fonction de conduction chez les feuillus. Lorsque ces
vaisseaux ont environ la même taille et sont répartis de
façon homogène dans le cerne, on parle de bois à pores
diffus ; s'ils sont plus nombreux au bord de la limite de cerne, on parle de
bois à zone initiale poreuse. Ici aussi, les cellules axiales et
radiales des parenchymes assurent la fonction de stockage des substances
nutritives [11,12].
Figure II.4 : Plan ligneux typique des
résineux (à gauche) et des feuillus (à droite)
III. Ultra structure du bois :
La paroi cellulaire du bois est multicouche. Elle
possède essentiellement une couche intercellulaire, une paroi primaire
et une paroi secondaire (Figure I.5). Chaque couche est un milieu composite
constitué de filaments de cellulose (micro fibrilles) scellés
dans une matrice de lignine et d'hémicelluloses.
Figure II.5 : Représentation
schématique des différentes couches de la paroi cellulaire
> La couche intercellulaire
La couche intercellulaire apparaît après la
division de la cellule mère. Son épaisseur varie entre 0,5 et 1,5
JLm. Cette couche permet de lier les cellules les unes aux autres, elle
possède une importante quantité de lignine. Si certaines micro
fibrilles isolées traversent cette couche, son pourcentage en cellulose
peut cependant être considéré comme
négligeable[3,12].
> La paroi primaire
Cette paroi très mince mesure environ 0,1 JLm
d'épaisseur. Comme la couche intercellulaire, elle contient une grande
quantité de lignine. Elle contient également des micros fibrilles
de cellulose enchevêtrées, formant un réseau poreux. Il est
souvent difficile de différencier la paroi primaire de la couche
intercellulaire.
> La paroi secondaire
Cette paroi est essentiellement constituée de micro
fibrilles de cellulose alignées parallèlement entre elles et
disposées en hélice. Selon l'orientation des micros fibrilles,
trois sous-couches sont discernables :
La couche S1 est constituée de micro
fibrilles croisées, avec un angle compris entre 60° et 80° par
rapport à l'axe de la cellule. Sa structure peut être
considérée comme étant lamellaire (3 à 6 lamelles)
et son épaisseur varie entre 0,1 et 0,35 JLm.
La couche S2 constitue la partie la plus
volumineuse de la paroi. Elle est composée de micro fibrilles en
hélice formant un angle de 5° à 50° par rapport
à l'axe de la cellule. Cet angle dans les cellules du bois de printemps
varie entre 30° et 50° et dans les cellules du bois
d'été entre 5° et 30°. L'épaisseur de la couche
S2 varie entre 1 et 10 JLm ; elle représente 15 à 85 % de
l'épaisseur totale de la couche.
La couche S3 est relativement mince. Son
épaisseur varie entre 0,5 et 1,1 JLm. Elle est constituée de
micro fibrilles dont l'orientation varie entre 60 et 90° par rapport
à l'axe de la cellule.
Chacune de ces trois couches contient également de la
lignine et des hémicelluloses [11,12]. IV. Composition chimique
du bois :
Le bois est constitué principalement de cellulose,
hémicelluloses et lignine. A ces trois constituants, viennent s'ajouter
des substances extractibles de nature organique et des
substances minérales (cendres). Les extractibles sont
déposés dans la paroi de la cellule pendant la duraminisation.
Le tableau I.1 donne la composition chimique du pin maritime.
Tableau II.1 : Composition chimique du pin maritime
|
Constituants
|
% (masse sèche)
|
|
Lignine
|
25,6
|
|
Résine
|
2 à 4
|
|
Tannins et Gommes
|
1,3
|
|
Protéines
|
1,0
|
Les cendres dans la paroi cellulaire la proportion relative en
cellulose, hémicelluloses et lignine varient en fonction de la couche
considérée (Figure II.6)
Figure II.6 : Proportion relative en cellulose,
hémicelluloses et lignine dans la paroi Cellulaire. M = couche
intercellulaire ; P = paroi primaire ; S1, S2, S3 = paroi secondaire.
> La cellulose
La cellulose est le constituant structural principal des
parois cellulaires végétales. C'est un homopolymère, dont
l'unité de base est le glucose, ou plus exactement un dimère du
glucose, le cellobiose. Les unités sont liées entre elles par des
liaisons â (1 -4) glycosidiques Le degré de polymérisation
(en glucose) peut atteindre 15000 [13].
Dans le bois, les chaînes moléculaires de la
cellulose s'associent entre elles par liaisons hydrogène intra et
intermoléculaires (Figure II.7), et forment des faisceaux appelés
micro fibrilles. Ces micros fibrilles présentent des zones cristallines
et des zones amorphes. Le degré de cristallinité de la cellulose
du bois est de l'ordre de 60 à 70 %.
Figure I.7 : Ponts hydrogènes
intramoléculaires et intermoléculaires entre
deux
macromolécules adjacentes de cellulose
- Les hémicelluloses :
Dans le bois, les hémicelluloses sont intimement
liées à la cellulose. Les hémicelluloses sont des
polyoses, dont les unités sont des pentoses, hexoses, acides
hexauroniques et désoxyoses. Elles diffèrent de la cellulose par
des chaînes moléculaires beaucoup plus courtes et par des
ramifications sur la chaîne principale (Figure II.8). En
général, les hémicelluloses ont une structure amorphe ;
leur teneur et leur composition varient en fonction des essences. On distingue
différents types d'hémicelluloses : les xylènes, les
mannanes, les glucanes, les galactanes et les pectines [12,13].
Figure II.8 Structure chimique partielle de deux
hémicelluloses
> La lignine :
Après la cellulose, la lignine est la substance
organique la plus abondante dans les plantes. Elle est chimiquement tres
différente de la cellulose et des hémicelluloses. C'est un
polymère tridimensionnel, amorphe et de nature phénolique, qui
assure la rigidité de la paroi cellulaire.
Dans le bois, la lignine est bio synthétisée
à partir de trois alcools phénoliques : les alcools
p-coumarylique, coniférylique et sinapylique (Figure II.9). La
polymérisation de ces trois alcools conduit respectivement à
trois types d'unités dans la lignine : H pour parahydroxyphényle,
G pour guaïacyle, S pour syringyle. Les lignines des résineux et
des feuillus se différencient alors par leur teneur en unités G,
S et H. La variabilité de la composition est plus grande chez les
feuillus, la teneur en unités G-S varie entre 20 et 60 %. La Figure
II.10 présente la structure schématisée d'une lignine de
résineux. [11,13].
Alcool p-coumarylique Alcool coniférylique Alcool
sinapylique
Figure II.9 : Précurseurs de la
biosynthèse de la lignine
Figure II.10 : Schéma structural d'une
lignine d'épicéa
> Les extractibles
Les extractibles sont des molécules qui peuvent
être extraites du bois par des solvants polaires (acétone, eau,
éthanol) ou apolaires (toluène, cyclohexane,
dichlorométhane). La teneur et la composition de ces extractibles
varient fortement d'une essence à l'autre, les résineux en
contenant généralement plus que les feuillus. Il existe trois
types d'extractibles : les terpénoides (myrcène, limonène,
á-pinène...), les polyphénols (tannins condensés et
hydrolysables, flavonoïdes, tropolones, stilbènes, quinones...) et
les composés aliphatiques (acides gras saturés et
insaturés, triglycérides, alcaloïdes...).Bien qu'ils ne
représentent qu'un faible pourcentage, l'odeur, la couleur et la
résistance aux agents de dégradation biologique, dépendent
en grande partie de ces extraits [12,13].
> Les cendres :
Ce sont les résidus minéraux obtenus
après combustion du bois à haute température. Ils
représentent généralement moins de 1 % de la masse
sèche du bois en zone tempérée, ce pourcentage
étant souvent supérieur en zone tropicale.
Association entre lignine et polysaccharides à
l'intérieur de la paroi cellulaire : La Figure II.11 :
présente un modèle décrivant l'association entre la
cellulose, les hémicelluloses et la lignine à l'intérieur
des parois cellulaires [11,13].
Figure II.11 : Association entre lignine et
polysaccharides à l'intérieur de la paroi cellulaire du bois,
à l'état anhydre : a) Section transversale, b) Section
longitudinale
Dans ce modèle, le micro fibrilles de cellulose, les
chaînes de celluloses moins ordonnées ainsi que les
hémicelluloses s'associent entre elles grace à de nombreux ponts
hydrogène. Les hémicelluloses sont plus fortement liées
à la lignine, par des liaisons covalentes. Ce modèle servira de
base de raisonnement pour émettre quelques idées concernant la
diffusion des réactifs lors de la modification chimique du bois [13].
Composites
poly
(acrylonitrile-
butadiène-
styrène)/farine
de bois
I. Les matériaux utilisés :
Dans cette étude, on a utilisé une farine de
bois (Maple 8010) de taille environ 177 lm, de diamètre moyen,
déterminé par microscopie électronique à balayage,
de 43,5 lm. Deux polymères (ABS) différents ont été
utilisés. Le polymère vierge le Cycolac MG- 94 (MFI = 11,7 g/10
min à 230 OC/3.8 kg), SABIC, et l'ABS recyclé
récupéré des écrans des ordinateur et des claviers
(MFI = 3,2 g/10 min à 230 OC/3.8 kg). Les
propriétés mécaniques des deux polymères vierges et
recyclées ont été similaires, sauf pour l'allongement
à la rupture et la résistance au choc Izod (avec entaille).
L'allongement à la rupture du polymère ABS vierge était
d'environ 52% dans un essai de traction, tandis que celui de l'ABS
recyclé n'était que 3%. La résistance au choc Izod (avec
entaille) est 216 J / m et 88 J / m respectivement. Ces différences de
propriétés sont, sans aucun doute en raison de la présence
d'impuretés dans le polymère recyclé. Trois agents de
couplage chimiquement différents ont été utilisés
dans ce travail : l'anhydride maléique est connu pour réagir avec
le radical hydroxyle sur la surface de la cellulose, chaque agent de couplage
contient de l'anhydride maléique. Styrène anhydride
maléique (SMA) 3000F (Mn = 3800, KOH / 480) a été fourni
par Sartomer, il est connu pour être compatible avec styrène
acrylonitrile (SAN). Styrène bloc central butylène
éthylène greffé anhydride maléique (SEBSg- MA)
FG-1901X fournis par Kraton. Il s'agit d'un tri bloc linéaire
copolymère avec une teneur en polystyrène de 30% et 2%
d'anhydride maléique Il est utilisé comme agent de couplage.
Modificateur pour WPCs à base de polyoléfine. Il a
été choisi comme un agent de couplage dans le cas présent,
car il contient du styrène dans son squelette. Le troisième agent
de couplage styrène acrylonitrile
greffé anhydride maléique (Sanma) DMN 100, de
Lustran et contient 1,5% d'anhydride maléique .Dans tous les cas, la
teneur en bois était 50% en poids. Un lubrifiant TPW Struktol 113, a
été utilisé pour réduire la coulée lors de
l'extrusion. Ce lubrifiant interne est un mélange complexe,
modifiée esters d'acides gras, et il est prévu pour être
compatible avec les agents de couplage utilisés. La quantité de
lubrifiant ajouté était de 5.% en De la matrice (2,5% du poids
composite).
II. La préparation des échantillons et
tests :
WPCs ayant des pourcentages de poids différents de farine
de bois ont été préparés en utilisant un Leistritz
Micro-27 co-rotatives, qui emploie l'extrudeuse bi-vis ,de La farine de
bois est séché à 100oC pendant
7 h ,veiller à ce que la teneur en humidité est inférieur
à 1 en poids.%, tandis que les deux polymères d' ABS ont
été séchés à 85oC pendant 3 h.
Les
extrudats ont eté broyés pour préparer
les éprouvettes. La température de la filière a
été fixée à 220 ° C. La vitesse de rotation de
la vis a été 200 tr / min, et le débit massique total est
de 7 kg / h. Ces échantillons ont été mesurés selon
la norme ASTM D638 l'appareil utilisé est l' Instron 5567 universel
,machine d'essai de traction . La force d'impact a été
déterminé en fonction de : ASTM D256 avec un testeur Satec impact
BLI. Notez qu'un minimum de cinq échantillons a été
testé dans chaque cas. En outre, les surfaces de rupture des centres qui
ont été obtenues à partir des essais de traction ont
été examinées avec un Hitachi S-4700 à
émission de champ Microscope électronique à balayage
[14].
III. Résultats et discussions
:
III.1 Les propriétés mécaniques
:
Les propriétés mécaniques importantes
pour l'application de matériaux recyclés polymères
comprennent non seulement la force de traction et de flexion, mais aussi module
et de l'allongement. La figureII.1 montre la force de traction en fonction
quantité d'agent de couplage pour WPCs fait avec ces deux types de
resines d'ABS et avec les trois agents de couplage différentes, la
teneur en bois est de 50.% poids en. On voit que, en l'absence d'un agent de
couplage, la résistance à la traction est de 41,5 MPa pour l'ABS
vierge utilisé, cette valeur est plus élevée que celle
obtenue de l'ABS recyclé. Cela n'est pas surprenant puisque le
recyclé contient des impuretés, et sa résistance à
la traction est inférieure à celle du polymère vierge.
45
40
25
55
50
35
30
Virgin ABS with SMA
Virgin ABS with SEBS-g-MA
Virgin ABS with SAN-MA
Recycled ABS with SMA
Recycled ABS with SAN MA
Figure III.1: Résistance à
traction d'ABS-WPCs contenant 50.% en poids de farine de
bois avec
différents agents d couplage.
Ce résultat démontre un avantage potentiel,
à savoir une plus grande résistance, de l'utilisation de l'APA
dans une matrice de polyoléfine.La figureIII.1 montre des variations
considérables de la résistance à la traction avec
augmentation de la teneur en WPC ainsi que des augmentations de la force de
traction en presence des agents de couplage SMA et Sanma. Cela est vrai pour
les deux matières plastiques vierges et recyclées, et elle montre
l'efficacité des SMA et Sanma d'agir comme agents de couplage. Ainsi,
lorsque l'ABS vierge est utilisé, sa résistance à la
traction passe de 41,5 MPa à 48 MPa avec des augmentations de SMA de 0
à 10.% en poids et avec la même quantité de farine de bois,
de même, lorsque WPCs sont formulés avec ABS recyclé, la
résistance à la traction atteint 42 MPa lorsque 10% en poids de
SMA est utilisée. La cause probable de cette augmentation de la
résistance est l' ajout de SMA qui donne une meilleure adhérence
entre le bois et des polymères(ABS), résultant de la
réaction entre l'anhydride maléique dans l'agent de couplage et
les groupes hydroxyles à la surface de la cellulose, d'une part, et la
compatibilité entre le SMA et le styrène acrylonitrile dans
l'ABS, d'autre part. L'agent de couplage Sanma est plus efficace, avec 10 % en
poids, la résistance à la traction atteint 52 MPa pour l'ABS
vierge et près de 45 MPa pour l'ABS recyclé. Par opposition aux
effets bénéfiques de la SMA et Sanma, l'addition de SEBS-g-MA
montre une diminution de la résistance à la traction.
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7.5
7
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|
|
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|
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|
Virgin ABS with SMA
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6.5 6 5.5 5 4.5 4
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Virgin ABS with SEBS-g-MA
Virgin ABS with SAN-MA
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|
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Recycled ABS w ith SMA
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Recycled ABS w ith SAN MA
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Figure III.2: le module de traction de
l'ABS-WPCs contenant 50% en poids de farine de
bois avec différents
agents d couplage.
Il semble que SEBS-g-MA est non miscible avec ABS et ne peut
pas donc, fonctionner comme un agent de couplage dans le cas présent. En
effet, Liu et al. [15] ont utilisé un malaxeur à mélange
styrène acrylonitrile (SAN) avec SEBS-g-MA, et un examen microscopique
de la morphologie du mélange a montré que ces deux
polymères ont été incompatibles. Le module de traction
mesuré est d'environ 6,5 GPa, et cela augmente légèrement
lors de l'ajout SMA et Sanma, l'utilisation de SEBS-g-MA est une
détérioration des propriétés mécaniques, et
cette diminution est en partie dû au fait que SEBS-g-MA est un
élastomère donc son module est bien inférieure à
celui des ABS ou du bois. Comme on pouvait s'y attendre,les WPCs
formulés avec polymère vierge sont plus ductile par rapport aux
composites à base d'ABS recyclé , et ceci peut être vu
à partir des données allongement à la rupture tracé
dans la figureIII. 3. les valeurs d'allongement à la rupture des WPCs
à base d'ABS vierge vont de 1,05% à 1,4%, tandis que les valeurs
correspondantes pour WPCs à base d'ABS recyclé varient de 0,8%
à 1,02%.
Contenu CA au bois (% en poids)
Figure III.3: Allongement à la rupture
de l'ABS-WPCs contenant 50 % en poids, de farine de
bois en fonction des
différentes quantités d'agents de couplage utilisées.
Nos travaux avec ces ABS chargés [14] ont montré
qu'il n'y a pratiquement aucune différence dans le comportement
d'écoulement de leurs composites dont les matrices ont des valeurs d'IFM
diffèrentes et la rhéologie de ces matériaux devrait
être similaire. La figureIII.4. Il montre que la résistance au
choc de ces WPCs est faible en l'absence de tout agent de couplage, elle est
d'environ 63 J / m. Alors que. La résistance au choc des WPCs,
cependandent de l'augmentation avec la quantité d'agent de couplage en
raison de l'amélioration de la ductilité, elle peut atteindre 90
J / m en présence de 10% en poids de Sanma. En termes relatifs,
l'utilisation d'ABS recyclé donne un effet légèrement plus
faible (55 J / m ) sans l'utilisation d'un agent de couplage. Cette valeur
augmente avec l'utilisation de l'agent de couplage SMA, mais le résultat
est toujours inférieur à celui des ABS vierges
Contenu CA au bois (% en poids)
Figure III.4:Résistance au choc Izod
des ABS-WPCs contenant 50% en poids de farine de
bois en fonction des
différentes quantités d'agents de couplage utilisées
Figure III. 5: microscope électronique
à balayage des surfaces de rupture à la traction de
l'ABS-WPCs
formulés en utilisant ABS vierge, avec ou sans 10% en poids de
différents
agents de couplage
Les surfaces des échantillons de la rupture à la
traction du WPC à base d'ABS contenant 50 % en poids de farine bois ont
été observées au microscope électronique à
balayage, et les résultats sont présentés dans la figure
III. 5a-d. Fig. 5a révèle que même en l'absence de tout
agent de couplage, l'adhésion de remplissage de la matrice est bonne,
ABS est un polymère relativement hydrophile donc il a tendance à
mouiller la surface du bois, et pas de lacunes sont visibles entre la charge et
la matrice. Les particules de bois ne sont pas complètement
dispersées , la farine de bois a une abondance de groupes hydroxyles sur
la surface, et ces groupes peuvent participer à des liaisons
hydrogène. En conséquence, le bois a tendance à former des
agrégats au cours de composition [14].
Lors de l'ajout de 10 % en poids de SMA ou de Sanma à
la formulation, la morphologie des composites présentes des changements.
Les groupes d'anhydride maléique SMA ou Sanma peuvent réagir avec
les groupements hydroxyles sur la surface du bois, et cette réaction
augmente non seulement la résistance du composite, mais perturbe
également la liaison hydrogène entre les particules de charge de
bois. La morphologie peut être changée
voir sur la figureIII. 5b et c où seules les particules
individuelles du bois sont visibles. La surface de rupture de l'ABS-WPCs
contenant 10 % en poids de SEBS-g-MA est représenté sur la
FigureIII. 5d. On voit que la matrice a tiré loin de la charge,cela
implique que la liaison entre la matrice et la farine de bois est faible.Donc
contrairement aux SMA et Sanma, le SEBS-g- MA n'est pas un bon candidat pour
être un agent de couplage pour la matrice d'ABS dans les composites
bois-plastiques[14].
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