SMC éco-responsable aux fibres naturelles booste la performance industrielle

Un aileron arrière produit avec un nouveau SMC organique. Les chercheurs ont pu remplir des structures nervurées complexes avec des paramètres de traitement conventionnels. Ils n'ont trouvé aucune séparation de la fibre et de la matrice. Photo Credit: Institut für Verbundwerkstoffe (IVW)

Un composé de moulage en feuille (SMC) organique qui peut accueillir des charges et fibres naturelles — comme des coquilles de graines de tournesol broyées et des roseaux — a été développé par Lorenz Kunststofftechnik GmbH (Wallenhorst, Allemagne), un producteur de produits polymères semi-finis pour une variété d'industries, et le Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe (IVW, Kaiserslautern, Allemagne), un institut de recherche à but non lucratif de l'État de Rhénanie-Palatinat et de l'Université Technique de Kaiserslautern spécialisé dans le développement et le traitement des composites. L'objectif est le développement d'un composite thermodurcissable avec une empreinte CO₂ relativement faible.

Peter Ooms, directeur des ventes et du développement commercial chez Lorenz, dit : « Nous avons assisté l'IVW avec notre expertise et nos matériaux SMC, ainsi que dans les tests ultérieurs pour la production industrielle. L'institut de Kaiserslautern a fait les tests préliminaires à l'échelle du laboratoire, la recherche générale et le développement des formulations pour le nouveau SMC organique. »

Utilisateurs potentiels sondés

Les deux organisations ont développé une fiche de spécification des matériaux basée sur une enquête auprès de 30 entreprises dans diverses industries, y compris l'électrique, l'automobile et l'équipement industriel. « Notre enquête a montré que différentes industries ont des exigences différentes pour le matériau », dit Ooms. Cependant, presque tous voulaient qu'il ait une analyse du cycle de vie (ACV) pour documenter les aspects environnementaux et la réduction de CO₂ en production, ainsi que la recyclabilité. « Nous avons choisi les matériaux organiques possibles pour la production SMC basés sur ces exigences. »

Les partenaires ont décidé de développer un SMC en fibre de verre qui comprend partiellement un remplissage à base organique. Pour le remplissage, plusieurs options ont été considérées, y compris des coquilles de graines de tournesol broyées et des roseaux, de la farine de bois, du carbonate de calcium recyclé provenant d'usines d'adoucissement d'eau industrielles, et du matériau de recyclage thermodurcissable. En tant qu'initiative de durabilité supplémentaire, les matières premières étaient sourcées dans un rayon de 500 kilomètres de l'installation de Lorenz.

La recherche sur le SMC et les remplissages et comment les matériaux pourraient être traités a été effectuée à l'IVW. Les facteurs considérés incluaient l'imprégnabilité, la densité, la viscosité et la disponibilité de la matière première. Les chercheurs ont travaillé avec une résine polyester insaturé (UP) et un additif anti-retrait alors qu'ils développaient la formulation.

Travail sur les formulations

Ensuite, les partenaires ont défini les paramètres pour un composant de démonstration à fabriquer en utilisant le nouveau matériau. « Ce démonstrateur nous a aidés à examiner le comportement d'écoulement et de remplissage du moule du matériau, et à le comparer avec les produits semi-finis SMC conventionnels », dit le Dr-Ing. Florian Gortner, scientifique à l'IVW. « En s'appuyant sur ces résultats et sur des tests de rhéométrie de presse, nous avons construit un modèle de simulation pour démontrer le comportement d'écoulement et permettre des prédictions sur d'autres géométries de moule. »

Après la recherche initiale, une pâte de résine SMC de base a été développée comprenant une résine polyester insaturé (UP) avec un additif anti-retrait, de l'oxyde de magnésium et un agent de démoulage interne pour épaissir la résine, et une pâte de couleur. Cette pâte de résine a subi des tests pour que les chercheurs puissent comprendre comment chacun des composants individuels interagissait dans le SMC. Des séries de tests itératifs de formulations de résine avec différents remplissages ont finalement abouti à un certain nombre de résines à base de remplissage organique avec la viscosité, l'écoulement et le comportement d'imprégnation souhaités.

Gortner dit : « L'oxyde de magnésium et un agent de démoulage interne ont été utilisés pour épaissir la résine, et une pâte de couleur a été ajoutée pour colorer les produits semi-finis. En travaillant à partir des résultats de l'enquête, nous avons ajouté d'autres additifs et adapté la pâte de résine à l'application. »

Ils ont exécuté plusieurs itérations des formulations jusqu'à ce qu'ils obtiennent celles qui présentent la viscosité, l'écoulement et le comportement d'imprégnation souhaités. Le matériau résultant permet la production de produits semi-finis avec une densité inférieure au SMC conventionnel, ce que Lorenz espère sera attractif pour le marché des véhicules électriques. La prochaine étape sera de produire une version commerciale de la résine, ce que Ooms dit que Lorenz prévoit d'accomplir cette année.

« Maintenant qu'avec l'IVW nous avons réussi à faire ce nouveau thermodurcissable, nous prévoyons d'autres améliorations pour les applications pratiques », ajoute Ooms. Par exemple, Lorenz peut développer des itérations du matériau qui varient la quantité de pâte de résine en proportion des remplissages, ou substituer la fibre de verre par de la fibre naturelle, selon l'application. Lorenz dit aussi que les résines polyester insaturées pourraient être remplacées par des résines plus sûres et plus respectueuses de l'environnement.

Selon Gortner, « L'objectif de notre projet de recherche était de montrer que l'utilisation de composants à base organique dans les produits semi-finis thermodurcissables est possible. Grâce au soutien actif de Lorenz, nous avons pu le faire avec succès, et continuerons à incorporer les retours de la production industrielle dans nos résultats. »