Réinventer les composites : matériaux durables pour l'avenir

Alors que la technologie composites se développe, notre compréhension de ce que les composites peuvent être et offrir doit aussi évoluer.

Ce blog est né d'un communiqué de presse reçu d'IntegriCo Composites (Sarepta, Louisiane, États-Unis), qui fabrique des traverses de chemin de fer composites et des nattes de chantier. En examinant leur communiqué et site web, tous deux axés sur le recyclage et la transformation de déchets plastiques en produits finis durables à performance améliorée, j'ai réalisé qu'il s'agissait d'une technologie 100 % plastique. J'ai donc répondu : « votre définition de composite ne correspond pas à la nôtre. » Mais j'avais tort.

 

Comment un mélange devient un composite

Quelle est la définition d'un composite ?

J'ai expliqué que si IntegriCo affirme que ses produits sont des composites aux propriétés supérieures, ils sont en fait un alliage — une amalgamation fondue de plastiques. Pas de renforcement fibreux et pas plus d'un matériau identifiable dans le produit final.

Brian Arkwood, directeur technique d'IntegriCo, a réfuté, expliquant que les produits IntegriCo sont un mélange de deux ou plusieurs types de matériaux qui conservent une identité unique, conçus et ingénierisés par le traitement pour délivrer caractéristiques et performance supérieures. « Permettez-moi de clarifier », a-t-il dit.

Notre procédé utilise un mélange de PEHD (polyéthylène haute densité) et PEBD (polyéthylène basse densité), ainsi que polypropylène et polystyrène. C'est par conception, car chacun de ces polymères dissemblables contribue aux caractéristiques globales du produit final. Nous pouvons manipuler et/ou changer les propriétés du produit final en variant les ratios de chaque plastique et/ou le traitement du mélange global. Les plastiques variés ne sont pas simplement fondus ensemble, cependant.

Voici où ce mélange se différencie comme composite :

« Les plastiques à poids moléculaire élevé (HMW) qui ne fondent pas sont dispersés à travers le polymère continu des plastiques traités au-dessus de la température de fusion. En refroidissant, les plastiques subissent le processus de nucléation. Le taux et le processus de nucléation sont contrôlés par la température de traitement, le taux de refroidissement et le chargement subséquent d'un agent nucléant. Cet agent est un chimique développé par IntegriCo et utilisé uniquement dans notre procédé. »

« Pendant la nucléation, la cristallinité globale du mélange plastique est manipulée et les polymères HMW non-fondus sont enchevêtrés parmi les chaînes polymères liées covalemment. Les polymères sont aussi manipulés via contrainte de cisaillement pour réduire la viscosité pendant le moulage et favoriser une meilleure interaction et enchevêtrement des polymères nucléés avec les polymères non-fondus. »

 

Nucléation, cristallinité et contrôle du rapport d'aspect

Pour moi, les concepts clés ici sont la nucléation (début du processus de formation cristalline), le contrôle de la cristallinité (gestion de la formation cristalline) et la manipulation du procédé pour obtenir une meilleure interface entre les polymères nucléés enchevêtrés et les polymères non-fondus. Ce dernier point est crucial pour les composites, car sans bonne interface entre les différents matériaux, il n'y a pas de transfert de charge efficace et pas de performance supérieure.

Rappelez-vous aussi que dans le domaine en forte croissance des composites thermoplastiques, les polymères offrant les meilleures propriétés mécaniques ainsi que résistance température et chimique sont semi-cristallins. Ces propriétés semi-cristallines sont obtenues et adaptées en gérant la cristallinité, le plus typiquement via contrôle de température pendant le traitement.

Les traverses de chemin de fer composites IntegriCo offrent un moyen de réutiliser les déchets plastiques en un produit composite à performance supérieure, où le plastique haut-fondant allongé renforce une matrice plastique bas-fondant. SOURCE | IntegriCo Composites

La description d'Arkwood m'a aussi fait penser aux plastiques auto-renforcés (SRP), comme Pure, Curv, Armordon, Tegris et le plus récent, le projet BIO4SELF, qui a gagné un JEC Innovation Award 2019. Typiquement, les composites SRP sont faits en utilisant un polymère bas-fondant (PE, PP ou biopolymère PLA) et en le renforçant avec une fibre haut-fondante du même polymère. Cette utilisation de polymères haut et bas-fondants est exactement ce qu'IntegriCo fait. J'ai donc demandé à Arkwood si les polymères HMW non-fondants qu'il utilise apparaissent/forment/se comportent comme des fibres ?

« Cela permet certains des mêmes avantages que les fibres », a-t-il dit. « Nous changeons les rapports d'aspect des polymères HMW dans la matrice polymère pour piloter les propriétés du produit. Augmenter ou diminuer les polymères HMW, couplé à des changements d'autres paramètres opératoires, peut avoir des effets significatifs sur propriétés plastiques comme module d'élasticité, module de rupture et dureté. »

Arkwood explique qu'IntegriCo peut modifier les ratios de polymères et paramètres opératoires pour répondre aux besoins clients spécifiques. « Nous avons documenté cela avec données d'essais destructifs et avons répondu à des demandes basées sur les propriétés pour clients incluant Union Pacific et l'Armée américaine. Le ratio de polymères — HMW vers LMW et linéaire vers non-linéaire ou hautement ramifié — joue un rôle dans nos produits un peu comme le renforcement fibreux dans d'autres produits composites plastiques, en affectant les propriétés clés de performance : résistance, rigidité, dureté et ténacité. »

 

Durabilité

Premier point, IntegriCo fournit une inspiration notable pour l'industrie des composites alors que notre planète est détruite par les déchets. Plus de 90 % du plastique devient déchet dans le monde et plus de 34 millions de tonnes métriques de plastique sont envoyées en décharge ou incinérées chaque année aux US et Canada seulement. IntegriCo offre une vraie solution en recyclant les plastiques rigides mélangés et grades généralement non-recyclables 3-7, que la Chine a cessé de recevoir en 2018. Les grades plastiques 3-7 sont ceux plus difficiles à recycler classés par le système ASTM International Resin Identification Coding System (RIC) qui identifie les polymères constitutifs et la recyclabilité de tous plastiques. Grades 1 (PETE, PET) et 2 (PEHD) sont hautement recyclables, et 5 (PP) commence à l'être, tandis que tous les autres grades incluant 3 (PVC), 4 (PEBD), 6 (PS) et 7 (Autres) ne sont pas actuellement recyclés. Ainsi, IntegriCo fait la différence, détournant les déchets de la décharge et les ingénierisant en produits composites à valeur ajoutée qui durent plus longtemps que les alternatives, produisant moins de déchets dans le temps.

 

Nano-CMC

Mon second point est que la technologie avance dans ce qu'est un composite. Je crois que cela impacte déjà l'avancement de la science des matériaux composites et je veux espérer inspirer de nouveaux développements. Ce qui a déclenché cette réalisation pour moi fut l'utilisation de nucléation par Arkwood. Je l'ai immédiatement reconnue de ma recherche récente sur les composites à matrice céramique nano (nano-CMC, voir mon article juillet 2019 sur nanocomposites).

Ceci est extrait d'un article de novembre 2017, « Polymer and ceramic nanocomposites for aerospace applications » :

 « Les nanocomposites sont les matériaux du XXIe siècle avec un taux de croissance annuel de 25 % grâce à leurs capacités multifonctionnelles. ... Du fait de la possibilité de combiner propriétés désirées, les nanocomposites étendent leurs potentiels dans applications aérospatiales et futures missions spatiales. ... Les nancharges augmentent la capacité de nucléation en améliorant l'interaction interfaciale avec la matrice polymère. »

Je ne peux pas garantir le taux de 25 %, mais il est évident que les nanocomposites offrent beaucoup de potentiel. Ce texte discutait la nucléation de nancharges. Ce qui était nouveau pour moi était le développement de nano-CMC où une matrice céramique est en fait renforcée non pas par une fibre ou charge mais par une autre céramique, dont la nucléation et cristallisation sont contrôlées pour produire un renforcement à haut rapport d'aspect.

Dans mon article de juillet 2019 sur les nanocomposites, j'utilise une illustration de l'article 2015 de Paola Palmero, « Structural Ceramic Nanocomposites: A Review of Properties and Powders' Synthesis Methods » pour montrer des exemples de composites micro et nano. A, B et C montrent une matrice microlaminaire renforcée par nanoparticules, nanofibres ou nanoplaquettes respectivement, tandis que D a des nanorenforcements à la fois arrondis et à haut rapport d'aspect. Cependant, E et F illustrent des nanocomposites bi-phasiques et multi-phasiques, respectivement, où les céramiques à l'échelle nano sont immiscibles.

Fig. 1 Structures communes micro/nano pour matériaux céramiques.
SOURCE | « Structural Ceramic Nanocomposites: A Review of Properties and Powders' Synthesis Methods » par Paola Palmero.

 

Palmero décrit la cristallisation in-situ de secondes phases à la surface de particules de matrice — en d'autres termes, la matrice est la première phase et une autre céramique est la seconde phase — comme l'un des processus clés de fabrication de nanocomposites céramiques. Après cristallisation, la taille et forme des cristaux ou grains céramiques sont gérés, ce qui est crucial car ils déterminent les propriétés en vrac du composite céramique. Par exemple, les grains allongés ont un effet de durcissement in-situ. Palmero note que la capacité à adapter les caractéristiques nanostructurées désirées dans ces composites frittés est vitale mais ardue, exigeant un contrôle strict du procédé tout au long du mélange, formage, frittage et densification.

Une illustration et discussion similaire se voit dans Fig. 6 du livre Intechopen.com, Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites. Section 9.1.2 discute la microstructure de nanocomposites nitrure de silicium (Si₃N₄)/carbure de silicium (SiC), faits par frittage (pressage à chaud). Leur microstructure contient de grandes particules allongées de β-Si₃N₄ (fibrilles) entourées de particules plus fines de β-Si₃N₄ en forme d'aiguilles. Le micrographie électronique à balayage ci-dessous de Fig. 7b montre cette structure à grossissement 20 000.

Ces coupes transversales de nanocomposites céramiques bi-phasiques (gauche) et composites plastiques recyclés (droite) sont en fait assez similaires, même si elles diffèrent grandement des coupes de composites conventionnels à fibres continues.

SOURCE | Figure 7, Section 9.1.2 de Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites par Zdeněk Jonšta, Evelyn A. Bolaňos C., Monika Hrabalová et Petr Jonšta (gauche) et coupe transversale de traverse ferroviaire composite, IntegriCo Composites (droite).

 

Avantages des composites bi- et multi-phasiques

Pourquoi cela profite-t-il à l'industrie des composites ? Parce que les scientifiques des matériaux utilisent cette nouvelle définition des composites pour atteindre combinaisons uniques, sur mesure, de propriétés mécaniques, thermiques, électriques et ablatives. Par exemple, le Naval Research Laboratory (NRL, Washington, D.C., États-Unis) a développé des composites nitrure de silicium, nitrure de zirconium et diborure de titane ainsi que méthodes pour les renforcer avec fibres tenaces. Ces céramiques réfractaires présentent haute résistance, stabilité thermique et conductivités électriques et thermiques variables qui leur permettent de répondre aux exigences de composants de véhicules hypersoniques — ce que les composites polymères organiques et même alliages métalliques avancés ne peuvent pas faire.

NRL développe aussi une technologie de fabrication additive qui incorporera des nanostructures dans ces matériaux et affinera davantage les propriétés diélectriques, thermiques et de blindage électromagnétique à une résolution plus élevée qu'avec les matériaux actuellement disponibles. Même si vous n'êtes pas nécessairement d'accord avec les applications de défense prévues pour ces matériaux, ils pourraient aussi fournir des solutions précieuses pour l'exploration spatiale planifiée et missions vers Mars. Mais ils pourraient aussi ouvrir de nouvelles voies pour des composites 100 % biosourcés qui offrent non seulement haute performance ici sur terre, mais aussi la capacité de le faire durablement et d'une manière où matériaux et produits finis peuvent être fabriqués et recyclés en utilisant moins d'énergie et ressources.

Je ne suggère pas que les composites à fibres renforcées quittent la scène ou s'estompent. Mais à mesure que la technologie se développe, notre compréhension de ce que les composites peuvent être et offrir doit aussi évoluer.