Etude des intéractions entre fibres de lin et matrices époxy appliquée à la réalisation de panneaux sandwichs aéronautiques

Study of the interactions between flax fibers and epoxy matrixes applied to manufacturing of sandwich panels for aeronautics.

• Auteur / Autrice : Mathieu Boutin
• Direction : Antoine Rouilly, Frédéric Lachaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des matériaux
• Date : Soutenance le 11/02/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie Agro-industrielle (Toulouse ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Ouagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Rouilly, Frédéric Lachaud, Pierre Ouagne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Baley, Fabienne Touchard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres végétales

Construction mixte

Mots clés libres

Composites

Fibres naturelles

Lin

Matrice époxy

Procédé

Composites

Natural fibers

Flax

Epoxy matrix

Process

Résumé

Les matériaux composites issus de fibres végétales renouvelables sont de plus en plus étudiés, en réponses aux préoccupations environnementales actuelles, notamment dans le secteur des transports. Leur fiable densité permettrait une potentielle réduction de masse permettant de réduire l’impact économique et écologique dû à la consommation de carburant et plus particulièrement dans le secteur aéronautique. L’utilisation de ces fibres pour la réalisation de composites présente néanmoins de nombreux verrous scientifiques et techniques. Les propriétés mécaniques des fibres végétales sont dépendantes des conditions environnementales de leur culture et peuvent varier fortement en fonction de la localisation ou du climat. De plus, ces fibres sont naturellement incompatibles avec les matrices polymériques traditionnellement utilisées de par leur fort caractère hydrophile, entraînant des problèmes d’adhésion fibres/matrice. Ces fibres sont donc le plus souvent traitées de manière chimique ou physique afin d’accroitre les propriétés mécaniques des composites associés. Les travaux de recherches menés prennent le contre-pied de ces méthodes en essayant de mettre en lumières les phénomènes mis en jeu entres les fibres de lin et les matrices époxy lors de la mise en œuvre de composites dans le but de développer un procédé de mise en œuvre se dispensant au maximum de traitements et donc de leur impact économique et écologique. Dans cette optique, un protocole expérimental a été développé pour permettre d’étudier des différentes interactions pouvant survenir entre les fibres, la résine et le durcisseur séparément. Cette étude a permis de mettre en évidence la modification des fonctions réactives du durcisseur par les fibres de lin entrainant un décalage de la stœchiométrie du mélange résine/durcisseur. La correction de ce décalage a permis d’améliorer sensiblement les propriétés mécaniques des composites sans traitements. Les différents paramètres de mise en œuvre des composites ont ensuite été étudié afin de développer un procédé simple permettant d’optimiser les propriétés mécaniques des composites. Ce procédé a ensuite servi de base pour le développement d’un procédé industriel de mise en œuvre de panneaux alvéolaires en structure oméga destiné à l’aménagement cabine d’avion commerciaux. Le comportement mécanique des composites et des panneaux a ensuite été caractérisé expérimentalement dans le but d’implémenter et de valider un modèle numérique permettant la prédiction du comportement mécanique des panneaux en statique et dynamique. L’ensemble de ces travaux a donc permis de développer un procédé de mise en œuvre innovant de panneaux alvéolaires possédant des propriétés mécaniques encourageantes en se basant sur la compréhension des interactions entre le fibres et la matrice.

Natural fibers composite materials are more and more studied to meet the current environmental concerns, particularly in the transportation area. Their low density could enable a decrease of weight allowing to reduce the economic and ecological impact due to fuel consumption, especially for planes. However, the use of such fibers to manufacture composites can be challenging due to numerous scientific and technological barriers. The mechanical properties of natural fibers depend on the climatic conditions of their growing and can vary a lot based on localization or climate. Furthermore, these fibers are incompatible with polymeric matrixes due to their hydrophilic nature, generating adhesion issues between the fibers and the matrix. So, these fibers are usually treated chemically or physically in order to improve the mechanical properties of the composites. This research took a different path by trying to understand the different phenomena involved between the fibers and the matrix during the manufacturing of composite to develop a process avoiding treatments and their economic and ecological footprint. With this in mind, an experimental protocol has been developed in order to study the different interactions between the fibers, the resin and the hardener separately. This study revealed that the modification of reactive functions of the hardener by flax fibers induced a stoichiometric shift in the resin/hardener mixing ratio. The correction of this shift allowed to increase the mechanical properties of the composites without any treatment. The different parameters involved in the manufacturing of these composites have also been studied to develop the simplest process possible allowing to maximize the properties of the composites. This process have then been used to manufacture alveolar sandwich panels with an omega type core designed for the internal panels of commercial aircrafts. Finally, the mechanical behaviour of the composite and the panel have been experimentally analyzed to implement and validate a numerical model allowing the prediction of the static and dynamic behaviour of the panels. All this work allowed to develop an innovative manufacturing process for new plant based sandwich panels with promising mechanical properties based on the understanding of the interactions between flax fibers and epoxy matrixes.