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Prédire les propriétés des matériaux composites

Le matériel programmé

21 mai 2019 | RAINER KLOSE

Peut-on calculer à l'avance les caractéristiques de matériaux composites? Des spécialistes de l'Empa y parviennent, aidant ainsi les chercheurs à atteindre plus rapidement leurs objectifs. Deux exemples d'application: l'amélioration du recyclage du PET et la réalisation de matières synthétiques conductrices pour l'industrie solaire.

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Image: iStock

Ali Gooneie, chercheur à l'Empa, simule sur ordinateur la manière dont les choses se nouent au cœur de la matière: atomes, molécules, chaînes et faisceaux de molécules – puis les pelotes et les fibres qui peuvent en résulter. Ses calculs lui permettent également d'expliquer pourquoi, au toucher, certains matériaux sont lisses ou rêches, flexibles ou rigides, conducteurs ou isolants thermiques.

Nombre de ces propriétés sont intrinsèques au matériau considéré. Métal ou bois, plastique ou céramique, roches ou gel – leur propriétés ont déjà été scrutées avec succès. Mais qu'en est-il des matériaux composites? D'où tirent-ils leurs propriétés, comment les modifier en connaissance de cause? On peut l'étudier expérimentalement en laboratoire, mais cela ne suffit plus: la recherche actuelle entend calculer ces propriétés à l'avance pour rapidement focaliser les expériences.

Gooneie est un des nombreux spécialistes en simulation numérique engagés dans différents départements de l'Empa. Il a étudié la technologie des matières plastiques à l'Amirikabir University of Technology de Téhéran, puis passé son doctorat à l'Université de Loeben (Montanuniversität) en Autriche. «Bien que, après mes études d'ingénieur, je me sois plongé toujours plus profond dans l'univers formel de la physique, je n'ai jamais perdu le contact avec le monde réel», explique-t-il. «La simulation ne m'apparaît pas comme une fin en soi. J'y recours pour expliquer quels effets peuvent être observés dans les matériaux et comment les observer.»

Quelle impression font les cheveux au toucher? Et pourquoi?

Pour bien comprendre l'objet des calculs de Gooneie, considérons une fibre polymère composite naturelle bien connue: les cheveux. Fraîchement lavés, ils sont doux et souples, secs, ils peuvent crépiter d'électricité statique, et mouillés, couiner comme du caoutchouc. On peut les couper, les rompre, les roussir et les onduler (permanente), les déteindre et les gonfler au föhn. D'où tiennent-ils toutes ces propriétés?

Les cheveux sont composés d'acides aminés qui forment de longues chaînes protéiniques, les kératines. Les molécules de kératine forment des fils puis des fibres. Un jeu de membranes cellulaires lie ces fibres. Les faisceaux de fibres ainsi formés, matière vivante, sont enveloppés par plusieurs couches de cellules cornées mortes disposées comme les écailles d'une pive de sapin. Les propriétés des cheveux n'apparaîtraient pas si l'on n'en considérait que l'élément central, les acides aminés. Il faut également bien comprendre la structure dans laquelle ces derniers sont insérés.

Prenons mentalement du recul et visualisons les molécules comme autant de petites billes formant un collier. A ce niveau, ce n'est plus la chimie qui est en jeu, mais les collisions et les frottements. Les spécialistes utilisent ce type de représentation dans les modèles dits «gros grains».

Poursuivons jusqu'à l'échelle du millimètre, un domaine où nous pouvons voir et sentir les choses. Les cheveux nous apparaissent alors comme faits d'une matière homogène dont nous ne percevons plus la structure fine. Pour en décrire et en prévoir les propriétés macroscopiques, on utilise ici la méthode des éléments finis.

Compréhension détaillée des fibres

Cette approche multidimensionnelle des matériaux composites n'a été adoptée qu'il y a peu d'années. Ali Gooneie en a poursuivi le développement à l'Université de Leoben, suscitant l'intérêt de l'Empa. Installé aujourd'hui à Saint-Gall, l'expert en simulation y travaille au département «Advanced Fibers» sous la direction de Manfred Heuberger.

L'un des objectifs des travaux de Heuberger est de poursuivre le développement des fibres synthétiques – un enjeu économique de taille: environ deux tiers des fibres utilisées dans le monde sont actuellement produits par voie de synthèse. Une fibre synthétique, c'est beaucoup plus qu'un simple fil. On ne parle de fibre que lorsque sa structure moléculaire, faite de petits cristaux orientés, présente les qualités par exemple de flexibilité et de résistance à la traction souhaitées. Les propriétés de ces produits, tant à la fabrication qu'à l'usage, ne peuvent être comprises que lorsque leur structure fibreuse a été éclaircie du nanomètre au micromètre.

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Ali Gooneie détient des échantillons de son dernier projet: le plastique électroconducteur. Au tableau noir, premiers calculs pour son prochain travail. Photo: Empa
Des polymères composites conducteurs

Gooneie a déjà accompagné plusieurs projets. L'un d'eux avait pour but d'incorporer des nanotubes de carbone (CNT) dans une matrice polyamide. Bien dosés, les CNT peuvent convertir une matière synthétique en conducteur, ce qui est intéressant, par exemple, pour l'industrie du photovoltaïque. Mais comment trouver le dosage optimal en nanotubes? Doivent-ils tous être de la même longueur ou est-il préférable d'en incorporer de différentes longueurs?

Jusqu'à récemment, les chercheurs en matières composites cernaient la question et tentaient d'y répondre par une succession d'expériences chimiques. Ali Gooneie l'a abordée sous un angle théorique, en y joignant ses méthodes de simulation pluridimensionnelle. Sa conclusion: un mélange de CNT de différentes longueurs devrait permettre d'obtenir plus rapidement la conductivité électrique souhaitée. Il a également pu déterminer à l'avance la manière dont les nanotubes s'ordonnent dans le polymère selon que le procédé de fabrication est conduit plus ou moins rapidement.

Parallèlement à leurs calculs, les chercheurs ont procédé à des essais. Des nanotubes ont été mêlés à différentes concentrations à une matrice polyamide extrudée à 245°C. Les analyses subséquentes ont montré que la conductivité était la meilleure pour une teneur pondérale de 0,15 pourcent de CNT. Main dans la main, les essais en laboratoire et les mathématiques appliquées ont permis de résoudre élégamment la question.

Meilleur recyclage du PET

Les simulations numériques sont aussi d'une aide précieuse dans les projets de recyclage. En 2018, les Suisses ont récolté près de 48'000 tonnes de bouteilles en PET. L'industrie a pu en tirer 35'000 tonnes de PET recyclé. Ce plastique est très apprécié pour sa résistance mécanique, son étanchéité à l'air et aux gaz et sa bonne tenue aux hautes températures. Mais il ne peut pas être recyclé indéfiniment. Lorsqu'on le fond et le refond trop souvent, une partie de ses molécules s'oxydent, se réticulent, forment des pelotes et le matériau devient visqueux, puis vitreux.

Un additif pourrait y remédier. Il s'agit du DOPO-PEPA, un ignifugeant développé à l'Empa par Sabyaachi Gaan, également du département «Advanced Fibers». Les chercheurs ont pensé qu'il pourrait servir de lubrifiant et d'agent protecteur dans le recyclage du PET. On a de nouveau fait appel à Gooneie. Première étape de son travail: vérifier si DOPO-PEPA se laisse incorporer au PET aux températures envisagées. Après quoi, Goonerie a étudié la manière dont ses petits colliers de billes représentant les molécules de PET se déplaçaient dans une masse en fusion, comment les molécules de DOPO-PEPA s'y entremêlaient et dans quelles conditions le mélange pouvait s'équilibrer.

Résultat: Il suffit de quelques pourcents de DOPO-PEPA pour que le PET recyclé soit bien onctueux. Les calculs de haut niveau effectués à l'Empa vont permettre de redonner toute sa fluidité au recyclage du PET.


Rédaction / Contact médias

Rainer Klose
Communication
Tél +41 58 765 47 33


Literature
A Gooneie, P Simonetti, K A Salmeia, S Gaan, R Hufenus, M P.Heuberger; Enhanced PET processing with organophosphorus additive: Flame retardant products with added-value for recycling; Polymer Degradation and Stability 2019; doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2018.12.028
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