De la définition à la mise en forme de feutres imprégnés expansés à base de formules résineuses répondant aux exigences de REACH

From the definition to the processing of REACH compliant polymer reinforced by basalt fibres and expanded

• Auteur / Autrice : Samira El Gazzani
• Direction : Valérie Nassiet, Jean-Pierre Habas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 10/11/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Charles Bénézet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Nassiet, Jean-Pierre Habas, Jannick Duchet-Rumeau, Michel Dumon, Eric Dantras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jannick Duchet-Rumeau, Michel Dumon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gélification

Mousse (chimie)

Cinétique chimique

Résines époxydes

Mots clés libres

Epoxy

Mousse

Gélification

Relation structure/propriété

Cinétique

Epoxy

Foam

Gelation

Structure/property relationship

Kinetic

Résumé

Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d’un projet industriel avec l’entreprise Roxel visant à la substitution de la résine phénolique, impactée par la règlementation Reach, dans un matériau composite expansé : le Roxalte®. Ce matériau est composé d’un feutre de basalte imprégné de résine phénolique qui s’expanse sous l’effet de la température par l’action de microsphères expansibles contenu dans le mélange (Expancel®). Pour s’adapter aux différentes utilisations du Roxalte®, des systèmes époxy répondant aux exigences de Reach ont été sélectionnés. Le premier objectif de cette thèse est la substitution de la résine phénolique. Le second objectif est de fournir une méthodologie pour la réalisation de mousses. La caractérisation physicochimique de la résine phénolique ainsi qu’une étude des relations structure/propriétés ont orienté la sélection vers un système faisant état de très hautes Tg : le Tris(4-hydroxyphenyl) methane triglycidyl ether (TETM) allié au durcisseur amine diaminodiphénylsulfone (DDS). La solution de remplacement immédiate a alors consisté à utiliser le système époxy [TETM/DDS] ainsi qu’un grade d’Expancel® adapté à l’intervalle de polymérisation de la résine. L’optimisation du cycle de réticulation a permis d’atteindre une Tg égale à 330 °C. La seconde étape a consisté à optimiser le moussage en calant la cinétique de réticulation sur la cinétique d’expansion par la détermination des temps de gel du système époxy et des temps d’expansion des microsphères. En dernier lieu, le composite expansé a été mis en œuvre grâce à l’ajout de solvant non réactif (acétone). Le deuxième volet de ces travaux a porté sur l’étude du moussage en utilisant le bicarbonate de sodium (BS) comme agent gonflant. La dualité exothermique/endothermique du procédé (exothermie de la réticulation et endothermie de la décomposition du BS) a été étudiée. Des suivis cinétique en mode isothermes et anisotermes ont été réalisés sur deux systèmes époxy (TETM/DDS et TETM/IPDA), sur le BS et sur les mélanges TETM/DDS+BS et TETM/IPDA+BS. L’ajout de fibres de basalte a fait état de différence notable sur la morphologie des mousses à base des systèmes époxy et du BS et les phénomènes de coalescence des bulles et de diffusion du gaz ont été mis en évidence. Une meilleure répartition des fibres et des bulles avec le système [TETM/IPDA] a été observé.

This work was performed within the framework of an industrial project of Roxel company. The project aim was the substitution of phenolic resin in an expanded composite material: the Roxalte®. This material is made of basalt mat impregnated by phenolic resin which expands under heating by the action of expandable microspheres (Expancel®). The second objective of this work is to provide a methodology for foaming optimization. REACH compliant epoxy resins were selected as substitute. Our choice was guided by the physical-chemical characterization of phenolic resin and the study of structure-property relationship. A high glass transition temperature system has been selected: the Tris(4-hydroxyphenyl)methane triglycidyl ether (TETM) with amine hardener diaminodiphenylsulfone (DDS). The immediate alternative solution consisted of epoxy system [TETM/DDS] and appropriate Expancel® microspheres. The microspheres have been chosen according to the curing temperature interval of the resin. The curing process optimization has been achieved and a Tg equal to 330 °C has been reached. Then the temperature that leads to equilibrium between the microsphere’s foaming kinetic and the resin gelation kinetic has been determined. The second part of this work deals with the study of foaming process using sodium bicarbonate (SB) as foaming agent. The exothermic-endothermic duality of the process (exothermicity of polymerization and endothermicity of SB decomposition) has been studied. Reaction kinetics of epoxy resins (TETM/DDS and TETM/IPDA), SB and mixes (TETM/DDS+BS and TETM/IPDA+BS) have been followed in isothermal and non-isothermal modes. Morphologies differences between TETM/DDS+BS and TETM/IPDA+BS systems and coalescence and diffusion phenomena have been observed when basalt fibers was added. Improved fibers distribution in TETM/IPDA system have been revealed.