Nouveau matériau composite bio-sourcé, une alternative écoresponsable aux matériaux polluants

Le transport aérien est responsable de 2% des émissions globales de CO2. Pour diminuer leur impact environnemental et les coûts d'opération, les fabricants d'avions se penchent de plus en plus sur l'utilisation de matériaux composites. Ces matériaux hautes performances permettent de réduire considérablement la masse des appareils avec leurs propriétés spécifiques élevés et la possibilité d'optimiser la performance mécanique du matériau selon la direction du chargement. La réduction de poids permet de limiter la consommation de carburant de l'appareil et ainsi diminuer les émanations de gaz à effet de serre (GES). Une portion importante des matériaux utilisés dans le marché sont des préimprégnés, évitant aux fabricants la phase d'imprégnation en la réalisant dans un environnement hautement contrôlé pour améliorer la qualité du matériau. Ce type de matériau est le produit d'une fibre et d'une résine d'origine pétrochimique. En plus d'utiliser une source limitée de ressources nécessitant énormément d'énergie pour l'extraction, la fabrication de ces matériaux à un impact environnemental important. Par exemple, la fibre de carbone nécessite jusqu'à 286 MJ/kg pour sa fabrication. La fin de vie de ces matériaux n'est pas plus glorieuse alors qu'ils sont enfouis ou incinérés, produisant des émissions importantes de GES. Le développement de nouveaux composites de sources écologiques permettrait de diminuer l'impact de la fabrication ainsi que de la fin de vie des pièces hautes performances comme celles des avions, éoliennes, trains et même les voitures. À l'Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR), un renfort de fibre de lin unidirectionnel a été développé récemment. Inspiré des méthodes de fabrication des pâtes et papier, il a le potentiel d'être 50% moins polluant que la fibre de verre avec des propriétés spécifiques similaires. À l'Instituto Tecnológico de Buenos Aires (ITBA), un polyol a été formulé en époxifiant de l'huile de soya. Sa source écologique permet de réduire son impact environnemental lorsque comparé aux polyols de source pétrolière. L'ITBA a utilisé ce polyol pour créer un polyuréthane rigide (PUR) ayant des propriétés mécaniques intéressantes. Ces matériaux écosourcés n'ont, pour l'instant, jamais été utilisés avec un autre matériel écologique. Ce mémoire présente la formulation d'un nouveau polyuréthane (PU) à base d'huile de soya et le développement d'un préimpregné avec des fibres de lin unidirectionnelles. Tout d'abord, le nouveau PU permet d'obtenir une résine dont le temps de gel peut être ralenti significativement au congélateur tout en obtenant un module d'élasticité 8% supérieur à une formulation de résine polyuréthane à base de soya de la littérature. Le modèle rhéocinétique de la résine a été modélisé à partir des données de calorimétrie à balayage différentiel et de rhéologie à plaques parallèles. Une étude de la compaction du renfort de lin a aussi été réalisée pour développer une méthode de fabrication des préimprégnés. Les préimprégnés fabriqués dans un moulin à trois rouleaux ont été pré-polymérisés et placés au congélateur. Ils ont ensuite servi à la fabrication de plaques de composites. Une évaluation de la microstructure au microscope optique et à la microscopie électronique à balayage a permis d'évaluer que la méthode de fabrication est adéquate malgré la présence de défauts entre la fibre et la matrice. Avec une résistance à la traction et à la flexion de 170 MPa et 231 MPa respectivement et un module de tension et de flexion de 7.4 GPa et 17.8 GPa, le matériau se compare aux matériaux de la littérature utilisant le lin. La résistance interlaminaire mesurée par test de 25.3 MPa montre que la consolidation des plis de préimprégnés permet d'obtenir un bon laminé. Malgré une adhérence entre la fibre et la matrice nécessitant des améliorations futures, le matériau a atteint des propriétés mécaniques qui le démontrent prometteur pour une utilisation structurelle. Ce travail ouvre la voie vers la diminution de l'impact environnemental des matériaux préimprégnés utilisé par l'industrie.

Abstract

The aviation industry is responsible of 2% of global CO2 emissions. To reduce this proportion as well as their operation costs, aircraft manufacturers are increasingly using composite materials. These high-performance materials allow to reduce the aircraft mass due to higher specific properties and the possibility to optimize anisotropic properties of a part. An important proportion of the materials used for aircraft manufacturing are prepregs materials, meaning the fiber is already impregnated with the polymer matrix. This allow the material to be impregnated in a controlled environment and to improve the material properties. Most commercial ready prepregs are made of petrochemical fibers and resins. These resources are limited and require a lot of energy to be extracted and transformed. For example, 286 MJ/kg are needed to manufacture carbon fiber. End of life is also an issue as most materials are burned or buried, the worst environmental case scenarios. Developing novel composites from natural and ecological sources would allow us to reduce the greenhouse gas emissions of aviation during the manufacturing, usage, and end of life phases. The current challenge with eco-friendly materials is to obtain similar specific mechanical properties as traditional materials. At the Université du Québec at Trois-Rivières (UQTR), a unidirectional flax fiber reinforcement was developed. Short flax is bound to unidirectional flax strings using techniques inspired by paper making processes. Compared to fiberglass, this reinforcement has similar specific properties while producing 50% less emission during manufacturing. At the Instituto Tecnológico de Buenos Aires (ITBA), a polyol made from epoxidized soybean oil was created. From ecological sources, it has a lower environmental impact than petrochemical polyol. With this polyol, they formulated a polyurethane (PU) that achieved a flexural modulus of 2.14 GPa and a flexural strength of 99.4 MPa. Those two materials have not been used with another ecological counterpart to this day. This project aims to develop a novel PU formulation to be used in the manufacturing of prepreg materials with a unidirectional flax reinforcement. This new resin system can be manufactured, stored and consolidated like a conventional epoxy prepreg. It has a storage modulus 8% higher than previous soybean polyurethane formulation, enough for manufacturing rigid composite parts. Chemokinetic modeling was fit based on differential scanning calorimetry and parallel plates rheology. Compaction of the reinforcement was studied to understand it's behavior during prepreg manufacturing and consolidation. Prepregs were impregnated in a three rolls mill before being stored in a freezer. Vacuum assisted prepreg consolidation was performed in a heated press to manufacture composite laminates. Optical and electron beam microscopes were used to understand the microstructure of the composite plates. While it showed good impregnation, interphase properties between fibers and the matrix showed defects. With tensile and flexural max strength of respectively 170 MPa and 231 MPa and modulus of 7.34 MPa and 17.8 MPa, the material compares to flax based composite materials of the literature. Short-beam strength obtained from testing of 25.3 MPa proves consolidation between plies is optimized. Despite adherence issues between flax and the polyurethane matrix, the novel material achieved promising mechanical properties as well as manufacturing capabilities. This work opens the way to further improvement of the ecological impact of aviation prepregs.