Consolidation Behavior Of Unidirectional Thermoplastic Composites Made From Glass Filaments (GF)/ Polyethylene Terephthalate (PET) DREF Yarns

Dans le contexte du développement de nouveaux matériaux composites avec moins d’impact environnemental, les composites thermoplastiques se sont imposés comme une alternative aux thermodurcissables. Cependant, la viscosité élevée des matériaux thermoplastiques a fait ses processus de fabrication plus complexe. Dans les méthodes de fabrication pour produire des composites thermoplastiques, les préimprégnés sont les matériaux predecesseurs les plus utilisés. Ils ont l'avantage de réduire l'effet de la viscosité élevée du polymère lors de la consolidation des composites. Néanmoins, les préimprégnés nécessitent une étape supplémentaire dans le processus de fabrication. L'utilisation de fils hybrides est présentée comme une opportunité pour réduire les distances entre le thermoplastique et les fibres de renfort, ce qui favorise leur imprégnation. La plupart des études ont utilisé et caractérisé des matériaux précurseurs de fibre mélangée, mais ils présentent l'inconvénient de l'endommagement des fibres de renfort lors de sa production, et aussi lors des opérations de fabrication ultérieures pendant sa consolidation. Les fils DREF apparaissent comme une alternative appropriée comme matériaux précurseurs des composites thermoplastiques. Ce type de fils hybrides présente l'avantage de protéger les fibres de renfort lors des opérations textiles en les recouvrant du polymère thermoplastique. De plus, comme le polymère crée un bouclier autour des fibres de renfort, il les protège lors du processus de consolidation, et il peut favoriser l'imprégnation de la phase de renfort en réduisant les distances thermoplastique – renfort. Les deux premiers objectifs de cette thèse consistent à développer des méthodologies pour préparer des préformes de fils thermoplastiques hybrides unidirectionnels, et à évaluer l'effet de la pression et de la température appliquées lors de la consolidation par moulage par compression. Les deux autres objectifs de cette thèse consistent à évaluer l'effet de la pression appliquée et de la température sur les caractéristiques finales de laminés unidirectionnels à partir de différents fils DREF de GF/PET. Les conclusions de l'étude soumise à la revue Composites Part A montrent la faisabilité d'utiliser des fils DREF comme matériel prédécesseur de composites thermoplastiques unidirectionnels, où des conditions de consolidation adéquates en pression et en température ont été déterminées pour atteindre l'épaisseur nominale pour les différents fils DREF évalués. Il a été possible d'obtenir des stratifiés consolidés avec des fractions volumiques de vides inférieures à 5 % et avec une résistance au cisaillement interlaminaire aussi élevée que 62 MPa en appliquant une pression de 492 kPa sous compression à 270 °C. De plus, il a été constaté que la torsion appliquée sur les fils DREF n'avait pas d'effet significatif sur les propriétés finales des laminés.

Abstract

In the context of the development of new composite materials with a lower environmental impact, thermoplastic composites have emerged as an alternative to the thermosetting ones. However, the high viscosity of thermoplastic materials has difficulted the manufacturing process. Within the manufacturing methods to produce thermoplastic composites, prepregs are the most used precursor materials. They have the advantage of reducing the effect of the high viscosity of the polymer during the consolidation of the composites. Nevertheless, prepregs require an additional step in the manufacturing process. The use of hybrid yarns is presented as an opportunity to shorten the distances between the thermoplastic and the reinforcement fibers, and then to enhance their impregnation. Most of the studies have used and characterized hybrid yarns like commingled, but this type of precursor material presents the disadvantage of the damage that the reinforcement fibers undergo during production, and during the subsequent manufacturing operations during the consolidation. DREF yarns as a precursor material of thermoplastic composites emerges as a suitable alternative. This type of hybrid yarns has the advantage of protecting the reinforcement fibers during the textile operations by covering them with the thermoplastic polymer. Additionally, since the polymer forms a sheath around the reinforcement fibers, it protects them during the consolidation process, and it may enhance the impregnation of the reinforcement phase by reducing the thermoplastic – reinforcement distances. The first two objectives of this thesis consist in the development of the methodologies to prepare preforms of unidirectional hybrid thermoplastic yarns, and to evaluate the effect of the applied pressure and temperature during the consolidation by compression molding. The other two objectives of this thesis consist in the evaluation of the effect of applied pressure, and temperature on the final characteristics of unidirectional laminates from different GF/PET DREF yarns. The conclusions of the study submitted to the journal Composites Part A, show the feasibility of using DREF yarns as precursor material of unidirectional thermoplastic composites, where adequate consolidation conditions in pressure and temperature were determined to achieve the nominal thickness for the different DREF yarns evaluated. It was possible to obtain consolidated laminates with void volume fractions below 5 %, and with a short-beam strength as high as 62 MPa applying 492 kPa of pressure under compression at 270 °C. Additionally, it was found that the twist applied on the DREF yarns did not have a significant effect on the final properties of the laminates.