Explication des matériaux composites

Les résines, les fibres de verre, les gel-coats, top-coats

Domaines d'application Matériaux constituant le polyester

Les contrôles L'osmose

Définition

Un matériau est dit composite lorsqu'il est constitué de deux ou plusieurs éléments distincts et non miscibles dont les qualités se combinent avec synergie pour réaliser des propriétés particulières en réponse à un besoin spécifié.
Les plus répandus et possédant des propriétés mécaniques exceptionnelles sont ceux constitués de deux phases :

Un matériau résineux : la matrice

Les composites Fibres-Résine sont communément appelés "Matériaux Composites" par habitude et sont capables de répondre de façon optimale à la conception de pièces mécaniques ou structurales. En effet, les renforts fibreux sont disposés de façon judicieuse dans la matrice qui conserve leur disposition géométrique et leur transmet les sollicitations.

Le renfort, qui constitue l'armature, assure la tenue mécanique. La matrice, qui lie les fibres renforts, répartit les efforts et assure la protection chimique.

A l'opposé des matériaux traditionnels, le composite sait s'adapter aux exigences de conception alors qu'une conception traditionnelle découle habituellement des propriétés des matériaux constitutifs.

Ici on réalise en une même fois le matériau et le produit.

Les propriétés physiques et chimiques de l'ensemble peuvent aussi être adaptées, notamment par le biais d'inclusions spécifiques dans les fibres ou la matrice.

LES FIBRES

Les renforts fibreux peuvent être continus : Uni Directionnels (UD), Tissus .... et discontinus : Mats, Feutres .... Leur nature peut être : Verre E ou R Aramide, Carbone, Bore, Carbure de silicium.

LES MATRICES

Les différentes matrices sont : les matrices résineuses en résine thermoplastique : Processus réversible. En résine thermodurcissable : Processus irréversible, matrices minérales, matrices métalliques.

Domaines d'application

Les composites entrent aujourd'hui dans pratiquement tous les domaines d'applications possibles : 
Piscines, bassins, bétiments... Les transports aérien, maritime, routier, ferroviaire... Sports et loisirs, etc....

Propriétés & Avantages

Les principales caractéristiques et propriétés des matériaux composites sont : Gain de masse Résistance et rigidité spécifique élevée - Bonne tenue en fatigue - Absence de corrosion - Pas de zone de plastification : comportement linéaire - Bonne tenue aux agressions chimiques et naturelles (UV).

Matériaux constituant le stratifié polyester

Les bases de ce travail sont, les notices techniques des fabricants, diverses publications ainsi que notre expérience en matériaux composites, ayant un vécu de plus de 20 ans dans la construction navales de plaisance, la réparation et le revétement polyester dans les piscines. Les deux matériaux de base, la fibre de verre et la résine polyester, constituant le plastique armé, ont fait leur apparition durant la deuxiéme guerre mondiale. Leur association, découverte par hasard, est à l'origine d'une révolution quasi totale dans certain domaine dont la construction navale de plaisance. C'est vers 1950 que les bateaux en polyester font leurs apparitions dans le sport. C'est en 1960 grâce à la mise au point du rouleau ébulleur et des machines à projection simultanée et des gel-coats que fut donné le grand départ de la construction polyester.

Les résines

La résine polyester: Liquide visqueux de 2 à 5 poises à 20°C. Ce liquide dit polyester insaturé comprend essentiellement deux produits bien différents :
- Des chaînes polyesters comprenant des doubles liaisons.
- Des doubles liaisons du styrène.
Les doubles liaisons permettront des liaisons ultérieures avec le styréne (durcissement ou réticulation par polymérisation tridimensionnelle).
Les chaînes polyesters sont obtenues par estérification d'un dialcool et d'un diacide suivant la réaction suivante :

ALCOOL + ACIDE ~~~> ESTER + EAU

Cette synthése chimique est effectuée en usine, le produit livré en atelier est un pré-polymére.

Le durcissement par addition d'un agent durcisseur qui favorise l'association des doubles liaisons du styrène et des doubles liaisons de polyester insaturé, crée un réseau tridimensionnel, rhéologiquement dur. Les résines standards sont à base d'acide orthophtalique.

Les durcisseurs: Sans rien ajouter dans le produit livré, il durcit au bout de quelques mois à plusieurs années. Le résultat est médiocre, ce sont les fameuses doubles chaînes qui ont fini par se trouver. En élevant la température à 80° par exemple, le temps de durcissement est de quelques jours avec un résultat trés peu satisfaisant à cause, d'une évaporation du styrène donnant un sous durcissement. Pour s'affranchir de ces inconvénients (durcissement trop long & mauvaise dureté) on emploi un systême catalytique composé de deux produits:

- Un initiateur (ou promoteur ou accélérateur).
- Un catalyseur.

Peut également intervenir un troisième produit:

- L'inhibiteur.

Avec le catalyseur, le durcissement à température ambiante est de quelque heures. A chaud (80° environ), il n'est que de quelques minutes, dans ce cas le styréne n'a guère le temps de s'évaporer, la réticulation est correcte et le matériau a une dureté satisfaisante, dureté Barcol > 40.

Pour augmenter les temps de prise à température ambiante, on emploi un systéme catalytique composé d'un catalyseur et d'un accélérateur, donnant un temps de durcissement d'une heure environ.

Les catalyseurs sont principalement des peroxydes organiques:

- Le péroxydes de benzoyle.
- Le péroxydes de méthyléthylcétone.
- Le péroxydes de cychlohexanone.

Les accélérateurs sont principalement des sels métalliques:

- Octate de cobalt.
- Naphténate de cobalt.

Ou des aminés.

- Diméthylaniline.
- Dithylanimine. 

Les fibres de verres

Ce sont elles qui constituent la partie résistance du matériau et qui lui apportent, dans une certaine mesure, ses propriétés mécaniques. Cette fibre, aux propriétés bien définies, permet d'obtenir des composites mécaniquement différents en fonction de leur présentation. La fibre de verre est obtenue par fusion directe de billes de verre et passage dans des filiéres pour obtenir un monofilament d'un diamêtre de 3,6 é 16 microns aprés étirement.

Le fil est constitué de 800 mono filaments qui est revétu d'une mince pelliculle d'enseminage. Ce dernier a un triple but:

1- Permettre la liaison de la résine avec le verre au moment de la stratification;
2- Protéger le filament au cours de la fabrication en tissu;
3- Lier les mono filaments entre eux pour qu'ils forment un fil de base.

Dans le domaine qui nous intéresse on aboutit é trois sortes de produits: - le mat - le roving - le tissu

Il faut préciser un point de terminologie, la taille du fil de verre se mesure en tex. Le tex signifie que 1000 m de fil de base pésent 1 gr. Le dtex est le premier sous-multiple, donc un fil 200 dtex sera un fil de base dont 1000 m péseront 20 gr.

Les fibres

- Le roving:
Le roving est préparé par assemblages paralléle de fils de base passés au travers déun régulateur de tension puis enroulés. Ce roving a deux applications principales:

- La constitution de mat en projection simultanée;
- La fabrication de tissu dit "tissu de roving" d'où une certaine ambiguïté au niveau des appellations.

- Le mat de verre:
On produit le mat de verre en coupant les fils de base en tronéons de même longueur, qui sont répartis dans tous les sens sur une bande transporteuse. Sur ce tapis de fibre de verre on projette un liant en poudre ou en émulsion dans l'eau . Aprés séchage, on obtient un rouleau prét à l'emploi. Les liants sont des acétates de polyvinyle (pva) en émulsion ou des poudres dérivées du polyester bis phénolique. Le mat se présente sous différentes formes et grammages. On utilise en construction navale deux formes qui différent que par la grosseur du fil de base.

Le mat de surface est employé principalement pour améliorer l'aspect extérieur des coques, la résistances aux corrosions, en donnant un surplus de résine vers l'extérieur. Ces mats sont constitués de fils fins de 100 é 200 dtex et de grammage léger de 100 à 200 gr/m2.

Le mat de renforcement est constitué de fils de base plus lourds 400 dtex et déun grammage supérieur de 300 gr à 900 gr/m2. Le mat de surface reçoit environ 4 fois son poids de résine au m2 et le mat de renforcement 3 fois son poids.

- Les tissus: Une gamme large de qualités, grammages et largeurs de tissu sont obtenus à partir de divers fils de base diversement tordus et assemblés. Un classement est effectué en fonction de leur armure et grammage:

- Satin - Sergé - Taffetas

Le satin est surtout employé pour de grande résistances, le taffetas et le sergé sont plus couramment employés; ces tissus sont distribués dans des g'ammages de 100 gr é 1000 gr/m2.

- Les nappes:
Depuis quelques années, les nappes sous formes de biaxial, triaxial, quadriaxial font leur entrées dans les ateliers. Ces nappes sont formées de couches croisées de fils paralléles, assemblées par coutures légéres parfois associées à un mat léger. Leur grammages est compris entre 600gr et 2400 gr/m2. Les qualités mécaniques sont intéressantes et performantes en fonction de la matrice (résine) qui leur est associées ainsi que la mise en oeuvre.

Les gel-coats

Le gel-coat est une couche colorée de surface préparée, à partir de résine polyester. Celui-ci a pour principales fonctions:
- La protection des couches renforcées sous-jacentes contre les influences atmosphériques, léattaque chimique ,... etc.;
- Léembellissement de la surface par un brillant satiné et un camouflage des couches structurelles. Le terme de gel-coat implique que cette couche est gélifiée avant la stratification proprement dite. Cette couche a environ 0,3 à 0,8 mm déépaisseur.

La composition des gel-coats pose principalement quatre problémes:
- La thixotropie
- La souplesse
- La résistances chimiques
- La pigmentation.

La thixotropie: Elle est nécessaire pour éviter au gel-coat de couler sur une paroi verticale. La silice colloédale est le plus couramment employée.
La souplesse: Un bon gel-coat doit être élastique, si il était trop cassant, il pourrait se fissurer lors de la flexion, ou de chocs éventuels sur la coque.
La résistance chimique: La résistance à l'eau, aux produits chimiques, dépend fortement du type de résine et de la méthode de fabrication. Un désavantage, est la faible résistance relative à l'abrasion. Mais il est possible d'apporter une amélioration par apport d'une charge comme par exemple léoxyde d'alumine, la terre de sienne, la poudre de carborundum, mais celle-ci influencent la couleur.
La pigmentation: Un des rôles du gel-coat le plus apparent est la coloration. Pour cela la résine à gel-coat est complétée par une pâte pigmentaire. La nature des charges colorantes intervient directement dans la résistance aux UV.

Les contrôles

Dans le domaine du polyester, la difficulté est que les contrôles non destructifs sont malaisés et le niveau de qualité néest pas toujours accessible sur un bateau terminé. Les contrôles s'effectuent à trois périodes bien distinctes.
- Avant fabrication sur les matiéres premiéres et la méthodologie.
- Pendant la fabrication.
- Aprés la production, par l'analyse et essai du produit.
- Contrôles de préfabrication: Ceux-ci sont appliqués sur le bateau et l'atelier de construction. Sur le bateau, il y a la prévision d'un échantillonnage, la définition déun mode d'assemblage, etc...
La réglementation en france, fait que tous les bateaux diffusés doivent avoir été certifiés par un organisme de contrôles. Ceci ne veut pas dire que l'échantillonnage est garanti, mais le constructeur s'est engagé sur une certaine production. Normalement le client doit pouvoir avoir accés à ces documents, aucun texte ne s'y oppose. On ne construit pas avec n'importe quoi, et il est nécessaire de définir les composants.
Les fournisseurs ont des fiches qui spécifient le minimum de caractéristiques requises à la connaissance du matériau. Sur les fibres il n'y a pas beaucoup de contrôles à effectuer si ce n'est des tests de mouillabilité et de moulabilité, un tissu n'est obligatoirement pas correctement mouillé par n'importe quelle résine et vice versa.
- La fabrication: Durant la construction, le constructeur doit s'assurer que tout ce qui a été prévu préalablement a bien été réalise. Les autocontrôles, principalement visuels sont effectués par les responsables d'équipes pour vérifier le bon ébullage, la bonne imprégnation, le recouvrement des plis, les conditions climatiques...
C'est d'une grande importance car ce sont ces domaines qui conditionnent la qualité du matériau.
- Les contrôles de post fabrication: Vérification d'éprouvettes en laboratoire pour un suivi réel de la qualité de fabrication et la validité des procédures et méthodes de fabrication, avec en plus un contréle global de l'ensemble du bateau, permettant l'amélioration du produit.

Consultez aussi la page sur l'OSMOSE