Fonctionnalisation plasma de composites Nylon/fibres de carbone recyclées mis en forme par dépôt de filament fondu

Plasma functionalization of nylon/recycled carbon fiber composites processed by fused filament fabrication

• Auteur / Autrice : Louis Jeantet
• Direction : Patrick Ienny
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Inscription en doctorat le 01/01/2020
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMGC - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Durabilité des éco-matériaux et des structures (DMS)

Mots clés

Mots clés libres

Fonctionnalisation plasma

Composites

Recyclage

Fabrication par filament fondu

Fabrication additive

Comportement mécanique

Mechanical behavior

Composites

Fused filament fabrication

Additive manufacturing

Plasma functionalization

Recycling

Résumé

L'objectif de la thèse proposée est de mieux comprendre et de minimiser l'impact du procédé de recyclage sur les propriétés mécaniques et de surface des fibres de carbone recyclées. Pour ce faire, des fibres de carbone vierges et recyclées obtenues via divers procédés de recyclage seront utilisées et incorporées dans une matrice de polyamide 6 par extrusion bi-vis. Des fils calibrés et destinés à la fabrication par filament fondu seront ensuite réalisés par extrusion mono-vis sur une ligne dédiée. L'influence des paramètres de mise en œuvre sur la morphologie et les propriétés des composites seront évaluées à l'issue de chaque procédé. La morphologie sera évaluée et quantifiée au travers d'observations microscopiques (optiques, électroniques et à force atomique) de coupes de filaments composites mais aussi de fibres extraites par pyrolyse. Les propriétés physiques seront également évaluées via des procédés de caractérisation physique (calorimétrie et analyse thermogravimétrique) mais aussi de surface (tensiomètre, goniomètre) afin de quantifier l'adhérence fibre/matrice. Les filaments produits seront utilisés pour fabriquer des éprouvettes par filament fondu qui seront testées mécaniquement (traction, impact, cisaillement interlaminaire) afin de quantifier l'impact de l'état des fibres sur les propriétés finales des pièces imprimées. Ces résultats seront confrontés à des modèles théoriques (Halpin-Tsai, Mori-Tanaka) de façon à déterminer un modèle prédictif du comportement mécanique des composites ainsi réalisés. Afin d'améliorer les propriétés mécaniques de ces composites, des solutions de traitement de surface utilisant un plasma sont envisagées. Il a été observé dans la littérature qu'un traitement plasma des fibres peut augmenter les valeurs de cisaillement interlaminaire d'un composite de 29.7 % et augmenter significativement la présence de groupes hydroxyles à la surface des fibres responsables de l'adhésion à la matrice polymère. L'objectif est d'améliorer à la fois l'adhérence à l'interface entre matrice et fibres, via un traitement cyclonique préalable à l'incorporation de ces dernières dans le polyamide, mais aussi l'adhérence entre filaments, via un traitement in situ durant la fabrication par filament fondu. Les mêmes caractérisations, que celles décrites précédemment, seront menées sur les matériaux au fur et à mesure de leur élaboration, afin de quantifier la plus-value apportée par les différentes fonctionnalisations de surface.

The aim of the proposed thesis is to further understand and minimize the impact of the recycling process on the mechanical properties and surface properties of recycled carbon fibers. To that end, fresh and recycled carbon fibers resulting from various recycling processes will be used to produce composites via twin-screw extrusion using a nylon 6 matrix. Calibrated filaments for fused filament fabrication will then be produced on a dedicated single-screw extrusion line. The impact of the processing parameters on the morphology and physical properties of the composites will be evaluated after each processing step. Morphology will be evaluated and quantified via microscopic observations (optical, electronic and atomic force microscopes) of the composite filaments' cross-section and of fiber retrieved after pyrolysis. The physical properties will be evaluated through thermal characterization (calorimetry and thermogravimetric analysis) and surface properties testing (tensiometer, goniometer) to quantify the adhesion between the fiber and the polymer matrix. The filaments will be used to produce specimens via fused filament fabrication for mechanical testing (tensile strength, impact strength, interlaminar shear strength) to quantify the effects of the fibers' properties on the mechanical behavior of printed composites. These results will be confronted to theoretical models (Halpin-Tsai, Mori-Tanaka) in order to determine a predictive model of the mechanical properties of the studied composites. To enhance the mechanical properties of these composites, a surface treatment using a plasma torch is considered. It has been observed in the literature that a plasma treatment of the fibers can lead to interlaminar shear strength values 29.7 % higher than those obtained for a composite using untreated fibers. A significant augmentation of hydroxyl groups, responsible for the chemical adhesion between the fibers and the polymer matrix, presence at the surface of the fibers has also been observed. The intent is to improve the adherence between the fibers and the matrix, via a cyclonic treatment prior to the formulation of the composite, but also to enhance the adhesion between filament during the fused filament fabrication process, via a in situ treatment. The same characterization methods described earlier will be applied to the materials at each step of the composite formulation to quantify the impact of each process on the adhesion properties of the composite.