Effets des caractéristiques intrinsèques des fibres de bois et des procédés de mise en forme sur la performance des matériaux composites bois/thermoplastique

The potential of wood fibers from sawmill residues as reinforcing component for thermoplastic composites was investigated. Wood species (Thuja occidentalis L., Pinus banksiana lamb. and Picea mariana (Miller)), type (heartwood, sapwood,bark), load (25, 35 and 45 wt %) size (24, 42 and 64 mesh) and processing method (injection molding, extrusion, compression molding) were the main variables analyzed. An incomplete factorial experimental design was used to make composites. The production of wood plastic composite samples was carried out in two steps: (i) a compounding stage and (ii) injection molding, molding thermo-compression and single-screw extrusion stage. Diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used to investigate the variability in the surface chemical composition. Both DRIFTS and XPS showed high variability in fiber surface chemical composition between species and between fiber types(sapwood, heartwood, and bark). However, DRIFTS failed to assess surface modification by esterification reaction using a maleic anhydride polyethylene(MAPE) treatment. XPS results showed that MAPE treatment increased the surface hydrocarbon concentration of jack pine wood fiber as indicated by a decrease in oxygen-carbon ratio and an increase in relative intensity of the C1 component in the C1s signal. Lignin concentration on the fiber surface was found to be the major inhibitor factor for esterification. Thermal sensitivity of wood fibers was investigated using thermogravimetric analysis and the nucleating ability and non-isothermal crystallization of high density polyethylene (HDPE) were studied using differential scanning calorimetry. Results showed that wood degrades at a lower temperature than HDPE. The most dissimilarity was observed between wood and bark in the decomposition rate at processing temperature around 300°C and the peak temperature location for cellulose degradation. The higher degradation rate for bark is explained by the devolatilization of extractives and the degradation of lignin. Nucleating ability for various wood fillers was evaluated by crystalline weight fraction, crystal conversion, half-time crystallization and crystallization temperature of the HDPE matrix. Nucleation activity improved with the addition of wood particles to the HDPE matrix. However, no effect of wood species on crystal conversion was found. Selected mechanical and physical properties of wood plastic composites were studied. All tested properties vary significantly with fiber origin. Higher fiber size produces higher strength and elasticity but lower toughness and elongation. The effect of fiber size on water uptake is minimal. Increasing fiber load improves the strength and stiffness of the composite but decreases elongation and toughness. Water uptake increases with increasing fiber proportion. The sensitivity of wood particles (eastern white cedar, black spruce, jack pine and jack pine bark) to composite processing was analyzed. Because of their higher thermal sensitivity, bark particles showed higher propensity to generate fines than wood particles. The major reduction in mean particle length was found to occur in the compounding process, while extrusion and injection molding contributed to particle length reduction to a lesser extent. The relationship between the structure and properties of high density polyethylene (HDPE) filled with the various wood fiber species in relation to processing techniques was also investigated. The main reduction of the effective mean particle length was observed after the compounding process, while extrusion and injection molding influence length distribution, which was shifted toward shorter length. The effects of wood filler characteristics and processing methods on either the mechanical relaxation and the creep behavior of the thermoplastic matrix were investigated. It was concluded that this behavior was related to the chemical composition on the surface of the wood fibers and the efficiency of the adhesion mechanism between fibers and HDPE. Dynamic mechanical properties of wood particle/HDPE composites were investigated. Jack pine-based composites showed the highest storage modulus. This behavior was attributed to better interfacial adhesion between jack pine wood fiber and HDPE matrix. In HDPE, the α-relaxation peak shifted to high temperature regions with the addition of wood fiber and resultant loss modulus (E″) increased by 17% to 30%, indicating more viscous dissipation. Cooling rate of extruded samples significantly affected α-peak temperature. Storage modulus (E′) increased with increasing frequency, whereas loss factor (tan) δ and E″ decreased. Moreover, α-peak tended to shift to lower temperatures as frequency decreased. A slight increase in activation energy (ΔE) was detected after wood particle addition, which may be explained by the increase in crystallinity due to the nucleation efficiency of wood filler. Creep behavior of wood particles/ (HDPE) composites was investigated. Short-term creep tests at different temperature levels were carried out and modeled using Bürger's model and Findley's power law. Jack pine fibers based composites exhibited the best creep reduction, which is related to the chemical composition on the surface of wood fibers and the efficiency of the adhesion mechanism between fibers and HDPE. Master curves, constructed by applying the time-temperature superposition principal (TTSP), and Findley-extrapolated data did not depict similar tendencies. Dynamic mechanical behavior has been calculated from the short-term creep measurement and a good agreement between calculated and predicted values was observed only at moderate frequency (0.5 to 1.5 Hz). Ce travail est une analyse comparative du potentiel de fibres de bois issues de résidus de première transformation dans la fabrication des composites bois/thermoplastiques. Les fibres analysées proviennent des essences suivantes : le thuya occidental (Thuja occidentalis L.), le pin gris (Pinus banksiana Lamb.) et l’épinette noire (Picea mariana Mill.). Les effets des facteurs suivants sur la performance des matériaux composites bois/thermoplastique ont été analysés : l’essence de bois, l’origine des fibres (fibres de duramen ou d’aubier), la taille des particules de bois, les proportions dans le mélange et les procédés de mise en forme (injection, extrusion et thermocompression), selon un dispositif factoriel incomplet. La production des échantillons de composites bois plastique a été réalisée en deux étapes : (i) une étape de mélange et mise en granules et (ii) une étape de mise en forme proprement dite des échantillons par moulage par injection, moulage par thermo-compression ou par extrusion mono-vis. L’effet de la variabilité spécifique de la surface des fibres de bois sur la qualité de l’interface bois/thermoplastique a été étudié moyennant l’utilisation de la spectroscopie infra rouge en mode réflexion diffuse par Transformée de Fourier (DRIFTS) et spectroscopie des photoélectrons par rayons X (XPS). Les deux techniques ont montré une grande variabilité dans la composition de la surface des fibres issues de différentes espèces et aussi à l’intérieur d’une même espèce (aubier, bois de duramen, écorce). La surface des fibres a été modifiée par réaction d’estérification en utilisant le polyéthylène modifié à l’anhydre maléique (MAPE). Les modifications de surface n’ont pas été détectées par DRIFTS, cependant les résultats de XPS ont montré que le traitement par le MAPE augmente la concentration des molécules d’hydrogène et d’oxygène notamment sur la surface des fibres de pin gris indiquée par une diminution du rapport oxygène-carbone et une augmentation de l'intensité relative de la composante C1 dans le signal C1s. Une concentration élevée de lignine et d’extractibles sur la surface des fibres a été présentée comme principal facteur qui inhibe l’établissement d’un lien entre l’agent de couplage à base d’anhydride et le bois. La stabilité thermique des fibres de bois a été étudiée par analyse thermogravimétrique, alors que la capacité de nucléation et la cristallisation nonisotherme du polyéthylène haute densité (PEHD) à différentes charges de bois ont été étudiées par calorimétrie différentielle à balayage. Les résultats ont montré que le bois se dégrade à une température nettement inférieure à celle du PEHD. Toutefois, la cinétique de la décomposition thermique était similaire entre les essences de bois. Les divergences les plus remarquables ont été observées entre le bois et l'écorce aux alentours d’une température de 300°C qui correspond à la température de dégradation de la cellulose. Le taux élevé de la dégradation de l'écorce a été expliqué par le dégazage de matières extractibles et la dégradation de la lignine. La capacité de nucléation, à différents taux de charges en fibres de bois, a été évaluée grâce à la variation de la fraction cristalline, au taux de conversion en cristal, au demi-temps de conversion et à la température de cristallisation du PEHD. Il a été remarqué que la nucléation a été améliorée avec l'ajout de particules de bois à la matrice du PEHD. Cependant, aucun effet de l’essence de bois sur le taux de conversion en cristal n’a été trouvé. Les effets d’une variation du type des fibres, de leur taille et de leur proportion dans le mélange sur les propriétés mécaniques et physiques des composites bois-plastique ont été étudiés. Les résultats ont montré que toutes les propriétés testées varient de façon significative avec l'essence de la fibre. Une forte granulométrie des fibres donne des composites plus résistants et plus rigides, mais moins tenace et ayant un taux d’élongation à la rupture inférieur. Par contre, la granulométrie des fibres n’a pas d’effet significatif sur le taux d’absorption d’eau des composites bois/plastique. L'augmentation de la charge de fibres améliore la résistance et la rigidité du composite, mais diminue l'allongement et la ténacité. La teneur en eau augmente significativement avec l’augmentation de la charge en fibres de bois dans le mélange. Par ailleurs, l’analyse du développement des fibres de bois, avant et au cours de leur mise en forme, a montré que l’intégrité des fibres, en termes d’attrition de la forme et de la longueur, a été tributaire des caractéristiques intrinsèques des fibres de bois et des procédés utilisés. Les résultats des propriétés mécaniques dynamiques des composites bois/PEHD ont montré que le module de stockage (E') diminue avec une augmentation de la température. Toutefois, les composites à base de fibres de pin gris ont montré le module de stockage le plus élevé. Ceci a été expliqué par une meilleure compatibilité entre les fibres de bois de pin gris et le polymère thermoplastique. Le pic de relaxation de type α a légèrement décalé vers les hautes températures en réponse à une addition des fibres de bois. Au contraire, le module de perte (E") qui en résulte a augmenté de 17% à 30%, indiquant ainsi plus de dissipation visqueuse. La vitesse de refroidissement des échantillons extrudés affecte la température du pic de la relaxation α. E' augmente avec une augmentation de la fréquence de sollicitation, alors que le facteur des pertes (tan δ) et E" ont diminué pour le même effet. En outre, la température relative au pic de la relaxation α a diminué en réponse à une diminution de la fréquence. La légère augmentation de l’énergie d’activation ΔE, détectée après l'ajout de particules de bois, a été expliquée par l'augmentation de la cristallinité due à l'efficacité de nucléation des particules de bois. Des essais de fluage à court terme pour différentes températures ont été réalisés sur des éprouvettes de composites et des modèles d’analogie (modèle de Burger et la loi de puissance de Findley) ont été utilisés afin de décrire leur comportement mécanique différé. Le fluage des composites augmente avec la température. Ceci s'explique par la mobilité de la fraction amorphe du polymère. Globalement, les particules de bois permettent de réduire le niveau de fluage des composites dépendamment du type des fibres utilisées. La variation de la résistance au fluage entre les composites est lié à la composition chimique de la surface des fibres du bois et donc, l'efficacité du mécanisme d'adhésion entre les fibres et le PEHD. Les courbes maîtresses, construites en appliquant le principe de superposition temps-température (TTSP), ont présentées des divergences avec celle obtenues par extrapolation de la loi de Findley. Enfin, les résultats de mesure du fluage à court terme ont été utilisés pour prédire les propriétés mécaniques dynamiques, toutefois une bonne concordance entre les valeurs calculées et les valeurs prédites n'a été observée qu'à des fréquences modérées(0,5 à 1,5 Hz).