Contrôle des interactions interfaciales verre/matrice appliqué à la synthèse in situ du PA6 anionique pour la fabrication des composites

Controlling glass/matrix interfacial interactions applied to in situ anionic PA6 synthesis for composite manufacturing

• Auteur / Autrice : Achraf Belkhiri
• Direction : Valérie Nassiet, Olivier De Almeida
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 10/05/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Mathias Destarac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Nassiet, Olivier De Almeida, Lazhar Benyahia, France Chabert, Frédéric Léonardi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jannick Duchet-Rumeau, Élodie Bourgeat-Lami

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Polymérisation

Mots clés libres

Matériaux composites,

Renforts verre

Polyamide 6 réactif

Groupes hydroxyles

Agent de couplage silane

Interface

Composite materials

Glass reinforcements

Reactive polyamide 6

Hydroxyl groups

Silane coupling agent

Interface

Résumé

La polymérisation in situ est une option pertinente pour la fabrication de composites thermoplastiques pour contourner les difficultés engendrées par la forte viscosité de leurs matrices. Ainsi, les procédés liquides de type infusion ou RTM utilisés habituellement pour les résines thermodurcissables pourraient être appliqués aux thermoplastiques. Dans le cas du polyamide 6 (PA6) synthétisé par polymérisation anionique par ouverture de cycle, le système composé de monomères, de catalyseur et d’activateur réagit au contact des fibres. La chimie de surface des renforts est un paramètre crucial car elle influence non seulement les processus de polymérisation et de cristallisation, mais elle contrôle également l’adhésion fibre-matrice et donc les propriétés finales des composites. Cette thèse vise à adapter la chimie de surface du verre afin de maîtriser les interactions à l’interface renfort/matrice pour favoriser la polymérisation du PA6. Des microparticules de verre de taille représentative des renforts fibreux ont été choisies. Tout d’abord, il a été montré que la densité des groupes hydroxyles présents à la surface du verre influence la cinétique de polymérisation et de cristallisation du PA6. Une méthodologie a été développée pour contrôler précisément cette densité des groupes -OH tout au long du processus de modification de surface. Ensuite, les particules ont été traitées avec des agents silanes pour créer différents types d’interactions. Une nouvelle approche qui consiste à greffer le monomère sur le verre a été développée. Les résultats de la synthèse in situ, combinés à la caractérisation de surface des particules, ont permis de déterminer l’effet des traitements sur la polymérisation et la cristallisation du PA6. Un procédé de fabrication a été mis au point pour élaborer des éprouvettes composites. Enfin, la caractérisation mécanique a mis en évidence les phénomènes aux interfaces, permettant ainsi de mesurer l’influence du greffage et du type de traitement de surface sur les propriétés macroscopiques.

In situ polymerization is a relevant option for manufacturing thermoplastic composites to overcome the difficulties associated with the high viscosity of their matrices. Therefore, liquid processes such as infusion or RTM, usually used for thermosetting resins, could be applied to thermoplastics. In the case of polyamide 6 (PA6) synthesized by Anionic Ring-Opening Polymerization (AROP), the system composed of monomers, catalyst and activator reacts in contact with the fibers. The surface chemistry is a crucial factor because it not only influences the polymerization and crystallization processes, but it also controls the fiber-matrix adhesion and thus the final properties of the composites. This PhD thesis aims at tailoring the surface chemistry of glass reinforcements to control the interfacial interactions and promote the polymerization of PA6. Glass microparticles with representative size of fiber were chosen. First, it was shown that the hydroxyl groups density on the glass surface affects the polymerization kinetics of PA6. A methodology was developed to carefully control this -OH groups density during the complete surface modification sequence. Then, the particles were treated with various silanes to create different types of interactions. A new route consisting in grafting the monomer onto the glass was proposed. Combining the results of the surface characterization and the properties of the composites, we conclude on the effect of the surface treatment on the polymerization and crystallization of PA6. A manufacturing process was developed to upscale specimen preparation. Finally, the mechanical characterization of the composites highlighted the dominating interfacial phenomena. The optimum grafting and surface treatment type were determined from the resulting macroscopic properties.