Conception et fabrication d'un renfort hybride de type lin-papier pour les matériaux éco-composites.

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1 Conception et fabrication d'un renfort hybride de type lin-papier pour les matériaux éco-composites. Prof. Gilbert Lebrun Prof. Luc Laperrière Prof. François Brouillette Jean Paradis Ing. (Innofibre - Cégep de T.-R.) Collaborateurs: Prof. Yves Dubé (Dép. génie mécanique), Prof. Bruno Chabot (CRML-UQTR) Laboratoire de mécanique et éco-matériaux (LMEM) Département de génie mécanique UQTR Colloque du CDCQ, Cégep de St-Jérôme, 4 novembre 2014

2 Sommaire Introduction Nouveaux composites à renforts unidirectionnels (UD) de type lin-papier Projets connexes Conclusion 2

3 Introduction L idée consiste à déposer des fibres longues (unidirectionnelles) de lin sur le dessus d une mince couche de papier poreux faite de fibres naturelles courtes non-orientées. Le papier sert de liant pour les fibres UD Le renfort ainsi obtenu peut ensuite être utilisé dans les composites multicouches Côté lin (dessus) Côté papier (dessous) 3

4 Pourquoi le papier comme liant? Introduction Maintient les fibres alignées pendant la manipulation et le moulage Stabilise les propriétés mécaniques du composite (insertion dans l espace interfils?) Utilisation de fils à faible torsion (meilleure imprégnation et plus efficace structuralement) Possibilité d améliorer les propriétés au délaminage Renfort 100% biodégradable, fabricable sur des équipements papetiers (hauts volumes de production, technologies éprouvées et contrôlées) Le Canada possède une vaste expertise en P&P A: Avec papier B: Sans papier L UQTR possède un centre de recherche (CRML) travaillant en association avec Innofibre du Cégep de Trois-Rivières, lequel possède une ligne de production pilote fortement instrumentée pour la recherche 4

5 Introduction Pourquoi les renforts UD? Fibres très bien orientées = Meilleures propriétés que les mats ou renforts tissés Rapports S ut /ρ et E/ρ équivalents ou supérieurs aux fibres de verre: Résistance spécifique / $ : Al. 0.08, CFV 0.36, CFN 1.15 Fibres peu (ou pas) endommagées: contrairement au tissage et aux renforts cousus Fils faciles à obtenir (technologie de filage bien connue) Différents Tex (g/km) disponibles 5

6 Nouveaux renforts UD lin-papier Fabrication en laboratoire (FPS) Fibres de bois Pressage Séchage Formage Fibres de lin 15 cm de large Lin Tex 200 et 400 Pâte Kraft 6

7 Nouveaux renforts UD lin-papier Fabrication sur machine à papier (ligne pilote) S P F 70 mètres 7

8 Nouveaux renforts UD lin-papier Ligne pilote (section humide) 8

9 Nouveaux renforts UD lin-papier Ligne pilote (échantillon tiré du rouleau final) 25 cm de large Lin Tex 200 Pâte Kraft 9

10 Projet 1: Composite UD à renforts lin-papier imprégnés de résine PLA Étapes de fabrication: PLA Monocouche papier - lin UD - PLA Empilement des couches (pré-imprégnés) Plaque finale: composite UD à 7 couches de renfort lin UD-papier 10

11 Project 1: Propriétés en tension et en flexion ASTM D638: ASTM D790 11

12 Projet 2: Optimisation robuste Composites à fibres naturelles: Sources de variabilité À l échelle des fibres élémentaires Longueur Diamètre Géométrie et structure (physique et chimique) Résistance Défauts et courbure À l échelle du fil Taille (tex) Diamètre Angle de torsion Nombre de fibres Dans le renfort Fractions volumiques (lin, papier, combinaison lin-papier) Densité surfacique (couche lin, couche papier, combinaison lin-papier) Adhésion papier-lin Adhésion matrice fibres Dans le procédé Compaction (porosité) Perméabilité et imprégnation (mouillabilité ) Alignement des fibres Pression et température Viscosité Etc Ce que veut l industrie et ce que la nature offre 12

13 Projet 2: Optimisation robuste Deux façons d y arriver: Réduire la variabilité à la source Contrôle du procédé de production des fibres (caprices de la nature) et de fabrication des renforts (nombreux paramètres) Optimisation robuste Maximizer é é tout en minimisant é Matériau Procédé KPI σ 1 µ 1 10% µ 2 σ 2 1% 10% 10% Bond Strength Permeability MPP 13

14 Projet 3: Optimisation de la perméabilité La couche papier est une barrière à l écoulement de la résine: Écoulement préférentiel dans la couche de lin et papier difficile à imprégner Long temps d imprégnation Perméabilité transverse (en Z) très faible 14

15 Projet 3: Optimisation de la perméabilité Utilisation de papier avec fibres de lin (mat fabricable par un procédé papetier) au lieu de fibres de bois (pâte kraft ou autres) 100% lin Fibres courtes de 5 à 10 mm 15

16 Projet 3: Effet du %lin du papier sur la perméabilité du renfort lin UD-papier V f = 35% 0% lin 0% lin 25% lin -5mm 25% lin -10mm 50% lin -5mm 50% lin -10mm 75% lin -5mm 75% lin -10mm Mat Unifilo U à V f = 35%, K 1.5 x m 2 Source: Pomeroy et al., Comp. Part A, 38, (2007). 16

17 Projet 4: Traitement des fibres et effet sur la perméabilité/mouillabilité Angle initial de contact (mouillabilité) Pastilles fibres Kraft Pastilles de lin Vitesse d absorption de la goutte 17

18 Conclusions Nouveaux renforts hybrides prometteurs pour les éco-composites Bonnes propriétés mécaniques Induites par l orientation et le parallélisme des fibres Le papier facilite la manipulation Potentiel pour la production à haut volume (machine à papier) Potentiel pour l approvisionnement local en fibres Bois Lin Chanvre Travaux futurs Utilisation de papier liant à 100% lin Conformation géométrique des renforts (Ph.D. hiver 2014) Comportement du renfort au drapage Épaisseurs locales et compaction Délaminage entre les couches de lin et de papier Formation de replis Maintien de la cohésion pour la réorientation des fibres sur la pièce Etc Utilisation de résines bio-sourcées (en cours) 18

19 Remerciements Étudiants impliqués: Adrien Couture (maîtrise) Mohamed Habibi (Ph.D. Ehsan Ameri (Ph.D.) Meriem El Boustani (Ph.D.) Collaborations Prof. Eduardo Ruiz (Polytechnique) Profs Amar Mohanty and Manjusri Misra (U. Guelph) Prof. Bernard Riedl (U. Laval) NSERC CFI 19