Pultrusion multi-filière assistée par le vide de LIN/PLA

L'utilisation couplée de fibres végétales et de matrices thermoplastiques biosourcées permettrait la fabrication de pièces composites à faible impact environnemental possédant des caractéristiques mécaniques satisfaisantes à bas prix. La pultrusion de ces matériaux présente des défis en raison de la viscosité des thermoplastiques et de la température de dégradation des fibres végétales. La faisabilité de la pultrusion de ces matériaux a été démontrée, mais l'imprégnation des pièces obtenues doit être améliorée. Cette étude présente une amélioration significative de l'imprégnation de profilés d'acide poly-lactique renforcé par des fibres de lin obtenus en pultrusion à partir de fils parallèles hybrides. Un système de pultrusion modulaire a été mis en place afin de modifier l'étape d'imprégnation. Trois configurations du système ont été étudiées : utilisation d'une seule filière d'imprégnation, utilisation de deux filières d'imprégnation, puis la combinaison de deux filières d'imprégnation et d'un environnement sous vide. Le degré d'imprégnation des pièces a été caractérisé par microscopie optique, par des tests de cisaillement plan et par des mesures du taux de porosité. L'influence de la taille des fils de renforts a été étudiée en utilisant des fils de lin de 200, 400 et 1000 Tex. La dégradation thermique du lin a été caractérisée par analyse thermogravimétrique. Les fibres de lin utilisées se dégradent à des températures supérieures à 200°C. Une augmentation du module et de la résistance en cisaillement des pièces a été observée lors de l'utilisation de deux filières. Un taux de porosité de 2.5% et des résistances en traction d'environ 300 MPa ont été atteints pour des pièces fabriquées à 50 mm/min avec un taux de fibre de 50%, à partir de fils de lin de 200 Tex. L'utilisation de plusieurs filières d'imprégnation a permis une amélioration significative de l'imprégnation sans augmentation des efforts de traction. L'implémentation d'un module sous vide a été possible mais n'a eu aucun effet mesurable sur la qualité d'imprégnation. Par contre, le module sous vide a diminué la porosité en cas de pultrusion au-delà de 200°C où des gaz émis par la dégradation du lin ont été extraits.

Abstract

The coupled use of natural fibres and biosourced thermoplastic resins enable the use of low cost composite parts with low environmental impact and satisfactory mechanical properties. Manufacturing these parts by pultrusion is challenging due to thermoplastics' high viscosities and thermal degradation of natural fibres. The feasibility of natural fibre reinforced thermoplastics was previously demonstrated, but impregnation levels of final part were unsatisfactory for commercial applications. This study reports a significant improvement in the impregnation level of flax reinforced poly-lactic acid pultruded beams obtained using parallel hybrid yarns. A modular pultrusion system was built to investigate modifications made on the impregnation step of the process. For this purpose, three dies configurations were studied: one pultrusion die, two pultrusion dies, and two pultrusion dies combined to a vacuum environment in between. Impregnation quality was characterized using optical microscopy, in-plane shear tests and void content measurements. The influence of reinforcement yarn size was studied using 200,400 and 1000 Tex flax yarns. Flax thermal degradation was characterized using thermogravimetric analysis. Flax fibres degraded when temperature were above 200°C. Increased shear modulus and shear strength of the composite parts were observed when two pultrusion dies were used. Using a speed of 50 mm/min and a fibre volume content of 50% with 200 Tex yarns, void contents of 2.5% and an average tensile strength of 300 MPa were reached. The use of several impregnation die was found to significantly improve the impregnation without increasing the pulling force. The vacuum environment was successfully implemented, and had no measurable effect on the impregnation quality. However, the vacuum module reduced the void content above 200°C, when gases emitted by flax fibres thermal degradation were extracted.