EFFET DES NANOPARTICULES SUR LES PROPRIETES MECANIQUES ET RHÉOLOGIQUES DES COMPOSITES BOIS-POLYMÈRES

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César Carbonneau
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HADIDANE Ahmed Koubaa Sébastien Migneault Mohamed Jaziri Congrès

1 1 EFFET DES NANOPARTICULES SUR LES PROPRIETES MECANIQUES ET RHÉOLOGIQUES DES COMPOSITES BOIS-POLYMÈRES Mohamed Mokhtar HADIDANE Ahmed Koubaa Sébastien Migneault Mohamed Jaziri Congrès de l Association canadienne-française pour l'avancement des sciences 13/05/2014

2 PLAN v v v v v v 2

3 q Écologique q Économique q Esthétique 3

4 Composite bois-polymère? + 4

5 Mise en forme L'extrusion L'injection (*) Image récupéré de l adresse suivante : 5

6 Applications materiaux de construction Transport infrastructure produits industriel et de consommation 6

7 Effet de la teneur en fibre Contrainte à la rupture en traction (Panaitescu et al ; 2007) Module de Young (Panaitescu et al ; 2007) Absorption d eau (Falk et al ; 2001) Vulnérabilité aux champignons (Falk et al ; 2001) Module d élasticité en flexion (Bouafif et al ; 2009) Contrainte maximale en flexion (Bouafif et al ; 2009) Énergie de rupture (Balatinecz et Park ; 1997) Allongement à la rupture (Balatinecz et Park ; 1997) 7

8 Effet des nanoparticules Module de Young (Elias et al ; 2009) Le module élastique en flexion (Elias et al ; 2009) Contrainte à la rupture en traction (Kord ; 2012) Résistance à l impact (Hemmasi et al ; 2010) Gonflement et absorption d eau (Sheshmani et al ; 2010) 8

9 Effet de la teneur en nano-additifs Les propriétés mécaniques et thermiques s améliorent à l ajout de 1% de Montmorillonite pour atteindre l optimum à 3% puis commencent à régresser (Khanjanzadeh et al ; 2012) Plus le taux de nanoparticules (silice) est important dans le mélange, plus celui-ci est résistant à l humidité et plus l absorption d eau régresse (Deka et Maji ; 2013) 9

10 Objectifs L objectif général de cette étude est de comprendre l effet de l incorporation des nanoparticules à savoir la garamite, la silicate et l alumine à différents pourcentages sur les composites bois-polymère à des teneurs variables en fibres. 10

11 Hypothèses v L ajout des nanoparticules augmentera la rigidité du produit final. v L ajout des nanoparticules entrainera une diminution de la viscosité du mélange traduite par le décroissement de l énergie de transformation. v La variation de la teneur de nanoparticules aura un impact sur les propriétés mécaniques et rhéologiques. 11

12 Protocole expérimental Récupération des morceaux de fibres Broyage des fibres de bois Tamisage des fibres Etudier les propriétés rhéologiques Extrusion des granulés Etudier les propriétés mécaniques Injection des éprouvettes 12

13 Matières premières Polyéthylène haute densité Fibres de peuplier faux tremble Polyéthylène greffé à l anhydride maléique Nanoparticules (Silicate, Alumine, Garamite) 13

14 Broyage et Tamisage des particules de bois Broyage et Tamisage Particule de bois Granulométrie (710µm-150µm) Broyeur à couteaux rotatifs Thomas Willey Tamiseur W. S. TYLER 14

bis-vis co-rotative 3 Silicate 54 40 3 3 Silicate 52 40 3 5 Silicate 52 40 3 5 Alumine 52 40 3 5

15 Extrusion des granulés de composites Taux de Pehd Taux de fibres Taux de MaPe Taux de nano Type de nano Alumine Alumine Alumine Silicate Extrudeuse 3 bis-vis co-rotative 3 Silicate Silicate Silicate Alumine Garamite Tableau.1: Pourcentage de matière première dans les mélanges Granules de CBP après extrusion 15

Propriétés rhéologiques (ASTM D 2538) v Couple à la stabilisation v Énergie mécanique de transformation Nombre d essais Température de la chambre ( C) Vitesse de rotation (RPM) Masse de

16 Propriétés rhéologiques (ASTM D 2538) v Couple à la stabilisation v Énergie mécanique de transformation Nombre d essais Température de la chambre ( C) Vitesse de rotation (RPM) Masse de chaque mélange (G) Temps de séjour (Min) Tableau.2: Paramètres d essais Courbe typique du rhéomètre Haake pour le mélange WPC du Couple en fonction du temps (2006 Soucy et al.). 16

17 Propriétés Mécaniques v Ténacité selon la norme (ASTM D 256) Résistance au choc v Essai de traction selon la norme (ASTM D 638) Module d Young Contrainte à la rupture en traction Allongement à la rupture v Essai de flexion selon la norme (ASTM D 790) La contrainte maximale en flexion Le module d élasticité Déformation en flexion 17

18 Effet de la teneur en fibres sur les propriétés rhéologiques Couple (N.m) % Fibres 20% Fibres + 3% SI 30% Fibres 30% Fibres + 3% SI 40% Fibres Figure 1 : Variation du couple à la stabilité pour différents mélanges à teneur en fibres variable. 40% Fibres +3% SI Energie (KJ) % Fibres 20% Fibres + 3% SI 30% Fibres 30% Fibres + 3% SI 40% Fibres 40% Fibres +3% SI Figure 2 : Variation de l énergie de transformation pour différents mélanges à teneur en fibres variable. 18

19 Effet du type de nanoparticules sur les propriétés rhéologiques Énergie (KJ) Couple (N.m) % Fibres 40% Fibres + 5%AL 40% Fibres + 5%GA 40% Fibres +5%SI Figure 3 : Variation du couple à la stabilité pour différents mélanges à types de nanoparticules variables % Fibres 40% Fibres + 40% Fibres + 40% Fibres 5%AL 5%GA +5%SI Figure 4 : Variation de l énergie de transformation pour différents mélanges à types de nanoparticules variables. 19

20 Effet du taux de nanoparticules sur les propriétés rhéologiques Couple (N.m) 32, , , , , % Fibres 20% Fibres + 1%AL 20% Fibres + 3%AL Figure 5 : Variation du couple a la stabilisation pour différents mélanges à taux de nanoparticules variables 20% Fibres + 5%AL Energie (KJ) % Fibres 20% Fibres + 1%AL 20% Fibres + 3%AL 20% Fibres + 5%AL Figure 6 : Variation de l énergie de transformation pour différents mélanges à taux de nanoparticules variables 20

21 Effet de la teneur en fibres sur les propriétés mécaniques 2 1,8 60 Module de Young (Gpa) 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 sans nanoparticules avec 3% SI Contrainte maximale (MPa) sans nanoparticules avec 3% SI 0 20% Fibres 30% Fibres 40% Fibres Figure 7 : Variation du module de Young pour différents mélanges à teneur en fibres variables % Fibres 30% Fibres 40% Fibres Figure 8 : Variation de la contrainte maximale pour différents mélanges à teneur en fibres variables. Résistance aux chocs (KJ/m2) sans nanoparticules avec 3% SI 0 20% Fibres 30% Fibres 40% Fibres Figure 9 : Variation de la résistance aux chocs pour différents mélanges à teneur en fibres variables. 21

22 Effet du type de nanoparticule sur les propriétés mécaniques Module de Young (Gpa) 2,5 2 1,5 1 0,5 0 40% Fibres 40% Fibres + 5%AL 40% Fibres + 5%GA 40% Fibres + 5%SI Figure 10 : Variation du module de Young pour différents mélanges à type de nanoparticules variables. Contrainte a la rupture (Mpa) % Fibres 40% Fibres + 5%AL 40% Fibres + 5%GA Figure 11 : Variation de la contrainte a la rupture pour différents mélanges à type de nanoparticules variables. 40% Fibres + 5%SI Déformation en flexion(%) 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 40% Fibres 40% Fibres + 40% Fibres + 40% Fibres + 5%AL 5%GA 5%SI Figure 12 : Variation de la déformation en flexion pour différents mélanges à type de nanoparticules variables. Résistance aux chocs (KJ/m2) % Fibres 40% Fibres + 40% Fibres + 40% Fibres + 5%AL 5%GA 5%SI Figure 13 : Variation de la résistance aux chocs pour différents mélanges à type de nanoparticules variables. 22

23 Effet du taux de nanoparticule sur les propriétés mécaniques Module de Young (Gpa) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 20% Fibres 20% Fibres + 1%AL 20% Fibres + 3%AL 20% Fibres + 5%AL Figure 14 : Variation du module de Young pour différents mélanges à teneur en nanoparticules variables. Déformation en flexion(%) % Fibres 20% Fibres 20% Fibres 20% Fibres + 1%AL + 3%AL + 5%AL Figure 16 : Variation de la déformation en flexion pour différents mélanges à teneur en nanoparticules variables. Contrainte a la rupture (Mpa) Résistance aux chocs (KJ/m2) % Fibres 20% Fibres + 1%AL 20% Fibres + 3%AL 20% Fibres + 5%AL Figure 15 : Variation de la contrainte a la rupture pour différents mélanges à teneur en nanoparticules variables. 20% Fibres 20% Fibres + 20% Fibres + 20% Fibres + 1%AL 3%AL 5%AL Figure 17 : Variation de la résistance aux chocs pour différents mélanges à teneur en nanoparticules variables. 23

24 v L'ajout des fibres conduit à l'augmentation de la viscosité et rend le composite plus rigide. v Les nanoparticules diminuent la viscosité et l'énergie de transformation. v A part l alumine les autres nanoparticules diminuent la rigidité du composite à 40% de fibres. v L alumine diminue la rigidité du composite à 20% de fibres. 24

25 REMERCIEMENTS 25

26 Merci pour votre attention 26

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