Développement de nouvelles fibres thermostables fonctionnelles chargées en nanotubes de carbone pour des matériaux composites structuraux dans des applications aéronautiques et ferroviaires

Development of new thermostable functional fibres containing carbon nanotubes for structural composite materials in aerospace and railway industries

• Auteur / Autrice : Jonas Bouchard
• Direction : Christine Campagne, Éric Devaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, énergétique, matériaux
• Date : Soutenance le 20/09/2013
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX (Roubaix)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conduction électrique

Extrusion par voie fondue

Propriétés thermiques

Nanotubes

Propriétés électriques

Essais de comportement au feu

Thermoplastiques

Mots clés libres

Polyéthersulfone

Filage en voie fondue

Filage en voie solvant

Conduction thermique

Résumé

Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet de recherche européen IMS&CPS (Innovative Material Synergies & Composite Processing Strategies), et vise à développer de nouvelles fibres à base d’un polymère thermoplastique thermostable : le polyéthersulfone (PES) chargé en nanotubes de carbone (NTC). Le principal objectif du projet est l’alignement, l’orientation et l’intégration des NTC dans des matériaux composites structuraux afin d’obtenir des propriétés mécaniques, thermiques et électriques améliorées, en vue de la protection des pièces contre les interférences électromagnétiques (EMI) et la foudre. L’utilisation des NTC comme charges conductrices permettra d’intégrer la fonction de conductivité électrique dans les fibres PES, puis dans le composite final par dissolution de ces dernières et migration des NTC dans la matrice composite époxy. Une première partie de cette étude concerne la conductibilité et les propriétés de tenue au feu des nanocomposites PES/NTC après extrusion. Dans une seconde partie, deux procédés pour la mise en œuvre des fibres sont étudiés : le filage en voie fondue et le filage en voie solvant. Le procédé en voie fondue du PES nécessite l’introduction d’un plastifiant et l’adaptation de panneaux radiants afin d’améliorer la filabilité et de réduire les températures de mise en œuvre de ce polymère thermostable. Des fibres de PES contenant jusqu’à 1,5 % de NTC en masse ont ainsi pu être obtenues. Une pré-orientation et un alignement des NTC sont observés dans l’axe de production des fibres. Un procédé de tissage a ensuite permis une orientation en 2D des NTC. Le filage en voie solvant du PES permet une incorporation d’un taux plus élevé de NTC (2 % en masse). Des fibres semi-conductrices sont obtenues avec un seuil de percolation électrique situé aux alentours de 1 % de NTC en masse. Dans les deux méthodes de mise en œuvre, une corrélation entre le procédé utilisé, la morphologie, la tenue mécanique et la conduction électrique de chacune des fibres est effectuée. L’évolution de la morphologie et des propriétés électriques des fibres après dissolution du PES dans la résine époxy est aussi abordée montrant une amélioration significative de la conductivité électrique dans la matrice composite.

This study falls within the framework of the European project IMS&CPS (Innovative Material Synergies & Composite Processing Strategies) and aims at developing new carbon-nanotubes-based thermostable polyethersulfone (PES) fibres. The main goal of this project is the alignment, orientation and integration of carbon nanotubes (CNT) in structural composite materials in order to obtain improved mechanical, thermal and electrical properties, for shielding against electromagnetic interference (EMI) and protection against lightning strike. Using CNT as conductive fillers allows the improvement of electrical conduction inside the fibres and then in the composites by the fibres’ dissolution and the CNT migration in the epoxy composite matrix. A first part focuses on the conductibility and the fire behaviour of the nanocomposites PES/CNT. In a second part, melt and wet spinning were studied as methods for producing nanocomposite fibres. To process PES/CNT by melt spinning it was necessary to add a plasticizer and adapt the heating panels, and this allowed PES melt-spun fibres containing up to 1.5 wt. % CNT to be obtained. CNT pre-orientation and alignment in the production axis of the fibres was also noticed. Then, a weaving process permitted CNT orientation in different directions. Using the wet spinning process, a higher CNT content (2 wt. %) was incorporated in the PES fibres. An electrical percolation threshold of around 1 wt. % CNT incorporated in the PES wet-spun fibres was reached. In both spinning methods, a correlation between processing, morphologies, mechanical and electrical properties of the elaborated fibres was established. The evolution of the fibres’ morphologies and electrical properties after their dissolution in epoxy resins is also mentioned and reveals a significant improvement of their electrical conductivity in the composite matrix.