Caractéristiques et applications durables des PRF

Que sont les composites?

Les composites sont des matériaux composés d’au moins deux matériaux différents. Pour des applications structurelles, de tels matériaux sont généralement limités aux composites renforcés de fibres, dans lesquels des fibres sont dispersées dans une matrice.

Le terme « composite » n'est toutefois pas réservé aux plastiques renforcés de fibres (Fibre-reinforced Plastics ou FRP). « Composite » est en effet le nom générique donné à des produits ou matériaux constitués de différents composants tels que panneaux de bois, béton, asphalte, textiles enduits, amalgames dentaires, verre de sécurité feuilleté, etc.

Les matériaux polymères renforcés de fibres contiennent des fibres de haute ténacité et de module élevé, liées à une matrice aux caractéristiques physiques et chimiques différentes ou non.

Propriétés

Les FRP possèdent d’excellentes propriétés mécaniques

Résistance à l’impact
Ténacité
Rigidité
Flexibilité
Capables de supporter de lourdes charges

Essais typiquement effectués pour mesurer les propriétés mécaniques des FRP

Rigidité de cisaillement
Résistance à la traction
Module de flexibilité
Résistance à l’impact

Les propriétés mécaniques des FRF sont influencées par plusieurs facteurs

La composition de la matrice: composition chimique, cristallinité, endurcissement, présence d’additifs, etc.
La composition (verre, carbone, aramide) et la finesse de la fibre
La structure textile : fibres individuelles, fils continus, textiles à base de fibres dont des fils hybrides, non-tissés de fibres, couches de non-tissés, structures 3D (tricotées, tressées…)
La concentration de fibres
La longueur de fibre
L’adhésion entre la matrice et la fibre
L’orientation des fibres
Température et humidité

L’Influence de fibres de haute ténacité sur les propriétés des FRP

L'incorporation de fibres dans une matrice polymère permet d'améliorer les propriétés mécaniques des plastiques mais également de modifier d'autres propriétés telles que le phénomène de retrait thermique, la conductivité électrique ou thermique, la résistance au feu, etc.

Comportement mécanique

L'ajout de matériau fibreux à des polymères n'influence pas uniquement les propriétés de résistance du plastique, mais peut également réduire fortement le comportement de retrait et le gauchissement à haute température. Grâce à la présence du matériau fibreux dans la matrice polymère, le retrait sous charge (continue) est également réduit.

Comportement au feu

Certaines fibres de renfort comme la fibre de verre ou de basalte possèdent une assez bonne résistance au feu ; l'adjonction d'un nombre relativement élevé de fibres inertes peut également être pratiquée pour améliorer la tenue au feu de plastiques.

Conductivité thermique et électrique

L'ajout de fibres thermiquement et électriquement conductrices (telles que la fibre de carbone) permet de modifier l'assez bon pouvoir isolant de la plupart des plastiques.

La présence de fibres de carbone conductrices dans des panneaux ou des structures, par exemple, modifie leur détectabilité par des ondes radar (la furtivité au radar des CRP est exploitée dans des avions militaires) et peut également former une cage de Faraday autour d'appareils électroniques sensibles.

La présence de fibres conductrices de la chaleur (telles que les FC) peut également accélérer le processus thermique lors de la mise en forme ou du durcissement de systèmes polymères.

Cette conductivité thermique des fibres présentes peut améliorer le transfert de chaleur dans des fours classiques, vers et au sein de la structure composite.
La fibre de carbone peut également absorber des ondes électriques inductives, permettant ainsi d'utiliser des systèmes de chauffage par induction en vue de réduire la durée du processus.

Isolation thermique

La plupart des plastiques ainsi que des fibres de renfort conduisent très mal la chaleur, ou pas du tout. Le bon pouvoir d'isolation thermique de nombreux plastiques renforcés de fibres peut également être utilisé comme atout vis-à-vis de matériaux qui sont renforcés par des tiges, câbles, ... métalliques.
De nombreuses déperditions de chaleur sont en effet associées à des risques générés par la présence de ponts thermiques froids.

Résistance à la corrosion

Contrairement à la plupart des matériaux métalliques de renfort (par ex., les fers d'armature du béton), la plupart des fibres de renfort et les matrices polymères sont inoxydables. Un grand nombre de composites renforcés de fibres doivent aussi leur utilisation dans divers produits de construction (tuyaux, cuves de collecte, ...) à leur résistance à la corrosion.

Coloration et résistance au vieillissement

L'adjonction de matériau fibreux peut en effet aussi influencer la couleur (la fibre de carbone est noire, la fibre de basalte a une teinte dorée) et d'autres propriétés comme la résistance au vieillissement.

Fonctionnalisation

Des composites polymères renforcés de fibres peuvent être assez facilement fonctionnalisés par des opérations de revêtement, d'impression ou de laminage, ce qui présente un avantage dans certaines applications. Différents capteurs et matériaux intelligents peuvent être incorporés dans ou combinés avec des composites.

Des systèmes de communication RFID et autres (codes à barres, etc.) peuvent par exemple être intégrés par des techniques d'IML (In Mould Labelling) dans des composites renforcés de fibres, ce qui peut promouvoir leur mise en œuvre dans de nouveaux domaines d'application.

Dans un univers numérique où « l'internet des objets » jouera un rôle important, des composites fonctionnalisés seront de précieux atouts.

Applications de FRP

Transportation
Energy renouvelable
Construction durable
Dispositifs médicaux

Transport & Mobilité

Le transport de personnes et de marchandises nécessite, outre des services spécifiques, de très nombreux « moyens » divers tels que :

une infrastructure adéquate : routes, pistes cyclables, terrains d'aviation, chemins de fer, murs anti-bruit, ...
moyens de transport : voitures, vélos, bus, trains, avions, téléphériques, ...
moyens de communication : panneaux de signalisation, antennes GSM, ...
autres matériels annexes : conteneurs, emballages de transport, ...

Dans quasiment tous les segments de marché peuvent être utilisés des matériaux et produits FRP, en exploitant les propriétés spécifiques (telles que le poids léger) de composites renforcés de fibres bien déterminés. La réduction du poids des moyens de transport permet de limiter la consommation en pétrole et par conséquent l'émission de CO₂ des voitures, des camions et des avions.

Les grands constructeurs aéronautiques ont obtenu une assez forte réduction de poids en utilisant un maximum de CRP et d'autres composites pouvant être mis en œuvre dans des composants tant structurels que non structurels.

Un développement analogue peut être rapporté pour les automobiles, mais on constate en pratique que le poids des voitures n'a certainement pas diminué au fil des ans. Suite à l'introduction de moteurs plus puissants, de l'incorporation de divers systèmes ICT, de confort et de sécurité, le poids de quasiment tous les véhicules a même augmenté. Cette augmentation a pu être limitée en remplaçant des éléments métalliques non structurels par des produits FRP.

Le grand défi ne constitue pas uniquement dans la mise en œuvre de composites structurels dans l'automobile, mais surtout de développer des composites dits « intelligents », qui pourraient reprendre un grand nombre de fonctions électriques, mécaniques et électroniques (qui sont jusqu'à présent assumées par des systèmes composites, lourds et complexes) ainsi qu'assurer la sécurité requise.

Systèmes d'énergies renouvelables

L'énergie disponible et payable prend une place toujours plus grande dans une civilisation moderne. Nos systèmes de chauffage, les activités ménagères quotidiennes (cuire, laver, repasser, ...), la mobilité, la production industrielle, les examens médicaux, ... sont devenus très gourmands en énergie et déterminent dans une très grande mesure notre mode de vie et notre confort. Comme de plus en plus d'habitants de cette planète adoptent cette forme de vie en société moderne mais consommatrice d'énergie, l'approvisionnement en énergie devient un grand défi sociétal.

Une très grande partie de notre approvisionnement énergétique repose encore actuellement sur l'exploitation de sources d'énergies épuisables (combustibles fossiles : pétrole, gaz et charbon et énergie nucléaire).

Si nous voulons assurer notre approvisionnement énergétique à terme ainsi que minimaliser les impacts environnementaux associés (tels que les émissions de CO2 dans la production d'électricité) et les risques liés à la santé (particules fines, ...), nous devrons passer (en masse) à des sources d'énergies renouvelables et à des processus peu gourmands en énergie.

Énergie éolienne

Les premières éoliennes datent du début des années 80. Elles avaient un diamètre de rotor de +/- 15 m et délivraient une puissance relativement faible (50 à 100 kW). En 2013, les éoliennes avaient un diamètre de rotor moyen de +/- 100 m et délivraient une puissance de 2,5 MW. Une éolienne d'une puissance de 2 MW fournit en moyenne 4 millions de kWh par an, ce qui correspond à une consommation de +/- 1300 ménages.

L'accroissement des dimensions des éoliennes (off-shore pour la plupart) a par ailleurs différentes conséquences directes:

Le nombre d'entreprises qui peuvent encore construire des éoliennes off-shore se réduit de plus en plus. Le marché européen de l'énergie éolienne off-shore est à ce jour dominé par Vestas Wind Systems et Siemens Wind Power, qui ont réalisé à elles deux près de 90% de la puissance installée. D'autres acteurs européens sont REpower, Bard et Areva.
Une autre conséquence de l'évolution des dimensions des pales d'éoliennes est que le renfort en fibre de verre doit être complété par des renforts en fibre de carbone et en fibre d'aramide, ainsi que par des matériaux d'âme plus performants.
Les techniques de production (surtout la technologie par infusion et la technologie des prépregs) et l'infrastructure doivent elles aussi être réétudiées, afin de produire des pales d'éoliennes très longues (plus de 60 m de longueur) de manière économiquement et écologiquement réfléchie. La minimalisation des « voids » au sein ces très grandes surfaces, l'homogénéisation et le durcissement rapide des résines de thermoset constituent dans ce cadre d'importants défis.
Le transport et le montage de pales d'une telle longueur exigent également d'autres procédures et méthodes de travail.

Améliorations de matériau souhaitées pour les éléments d'éoliennes:

Protection de la structure de la pale et de ses propriétés mécaniques contre les coups de foudre, et ce en intégrant des conducteurs électriques dans les pales d'éoliennes. Les dégâts de la foudre sont une cause importante de mise hors service d'installations, ou de rendement trop faible. Certaines installations disposent d'un système de surveillance pour comptabiliser le nombre de coups de foudre.
Intégration de dispositifs de mesure dans le matériau composite, rendant possible la surveillance en ligne de la tension et des impacts. Les éoliennes ont en principe une durée de vie minimale de 20 ans. Durant ce cycle de vie, on attend le rendement souhaité et des frais d'entretien minimum.
Systèmes de détection permettant de déceler plus rapidement d'éventuels dommages subis au niveau des composants, et intégration possible de systèmes « auto-healing » permettant une réparation automatique des dégradations (ci-dessous un exemple de résine époxy auto-réparatrice).
Invisibilité aux ondes radar. Des parcs éoliens peuvent perturber les communications d'avions (civils et militaires) qui les survolent. Rendre les éoliennes invisibles aux ondes radar, d'une manière économiquement réfléchie, constitue dès lors un défi.

les systèmes d'énergie solaire

Panneaux solaires : des panneaux PV (PhotoVoltaïques) et PVT (PhotoVoltaïques Thermiques) qui font appel à ces cellules solaires pour transformer en électricité l'énergie solaire (le rayonnement). Contrairement à un panneau PV, un panneau PVT fournit également de la chaleur.
Centrales électriques thermosolaires : de la chaleur est générée par la focalisation ou la concentration de la lumière du soleil. Cette chaleur est transférée à un liquide (eau ou huile thermique), produisant ainsi de la vapeur. Cette vapeur entraîne une turbine à vapeur, qui produit elle de l'électricité. De tels systèmes sont (ou seront) surtout présents dans le sud de l'Europe et dans le nord de l'Afrique.
Toiture thermique (chauffe-eau solaires) : les rayons du soleil sont captés et servent à chauffer de l'eau. Cette eau circule via un échangeur de chaleur et une pompe.

Des FRP peuvent être utilisés dans la plus part des systèmes d'énergie solaire. Les panneaux en PV et PVT et les systèmes SWH peuvent être incoporporés dans des profiles légers en FRP ce qui réduit le poid sur le toit. Dans les structures porteuses en composite peuvent également être aisément intégrés des éléments de mousse à isolation thermique (des matériaux d'âme qui sont également utilisés pour augmenter la résistance à la flexion des FRP), ce qui permet aux systèmes d'énergie solaire de fonctionner avec un rendement encore plus élevé.

Les composites GRP, résistants à la corrosion, conviennent très bien pour des chauffe-eau solaires. Les tubes et les cuves de stockage réalisés en matériau composite sont en plus résistants à l'eau (très) chaude et souvent corrosive.

L'énergie maritime

Les mers et les océans contiennent également une grande quantité d'énergie intrinsèque, qui peut être exploitée à l'aide d'installations telles que

les centrales marémotrices : l'énergie potentielle associée à la différence de niveau de la mer entre flux et reflux est transformée en électricité ; plus cette différence est grande, plus la centrale est économique
les centrales houlomotrices : transformation en électricité du mouvement de va-et-vient des vagues
Les centrales océanothermiques (OTEC) : exploitation des écarts de température de l'eau de mer à différentes profondeurs

En raison des forces importantes qui règnent en mer (tempêtes) et de l'influence de l'eau de mer, les systèmes flottants (off-shore) peuvent être endommagés. Les composites polymères renforcés de fibres, qui sont plus robustes que l'acier et qui résistent mieux à la corrosion, sont donc des matériaux très adaptés pour une application dans de telles centrales, canalisations, etc.

Des constructions durables aux FRP

Les ouvrages de génie civil n'ont pas seulement trait aux bâtiments privés ou publics, mais également à divers travaux d'infrastructure : viaducs, autoroutes, ponts, parkings, ports, canalisations, etc. Le marché de la construction, dans son sens large, constitue depuis des années un débouché important pour les plastiques renforcés de fibres, mais du fait d'une connaissance insuffisante de l'univers des composites, leur utilisation reste encore relativement limitée en comparaison d'autres matériaux, tant en volume et en chiffre d'affaires que pour l'application de certains types de composites (GRP, CRP, WPC, ...).

Les avantages des FRP, notamment dans le domaine de la durabilité :

Emission réduite de CO₂ lors du transport des composites légers
Equipement moins lourd (grues, camions, chariots élévateurs...) lors de la construction
Isolation thermique
Liberté de design
Fonctionnalisation
La résistance à la corrosion et à la pourriture et les économies énergétiques qui en résultent (réalisées lors de la production, du transport, installation, entretien, longévité) sont des avantages majeurs des FRP vis-à-vis des matériaux conventionnels (beton renforcé, acier, bois...)

La durabilité est une question populaire et importante à laquelle sont confrontés les concepteurs, les constructeurs et les propriétaires de bâtiments. Malheureusement, elle est également complexe. Des développements récents ont montré que des programmes tels que les évaluations LEEDS ne permettent pas toujours de prendre les bonnes ou les meilleures décisions en matière de sélection des matériaux ou de stratégies de construction. La méthode la plus appropriée, mais aussi la plus rigoureuse, est l'« analyse du cycle de vie » ou ACV, qui consiste à comparer l'impact environnemental total d'un matériau, du berceau à la tombe, à celui d'une solution de remplacement. Ces exercices sont complexes et spécifiques à chaque projet. Par exemple, le poids d'un produit joue souvent un rôle important dans les impacts tels que le transport, l'installation et la structure de soutien. Tous ces facteurs varient d'un projet à l'autre et leur mesure dépasse généralement la portée de la plupart des projets de construction conventionnels.

source: Kreysler

Possibilités d'innovation pour les PRF sur le marché de la construction

Sol d'une place de parking intégrant un système de recharge sans fil par induction pour les véhicules électriques : Une méthode conviviale pour charger les batteries d'une voiture est basée sur le transfert d'énergie par induction. Le sol au-dessus du système de recharge par induction ne doit pas bloquer le transfert d'énergie et ne doit donc pas contenir de conducteurs. Les sols en béton renforcé de fibres de carbone (et de verre) ou les zones de recouvrement des routes ont déjà fait leurs preuves.
Le transfert d'énergie par induction permet également de charger des systèmes de véhicules à guidage automatique (AGV) sans batterie, ce qui rend les stations de charge de batterie superflues dans les entreprises. L'énergie nécessaire pour actionner ces systèmes de transport est fournie par des systèmes de transfert d'énergie inductive intégrés dans le revêtement de sol en PRFV.
Blindage EMI par l'intégration de très minces panneaux FRP conducteurs d'électricité (à base de fibres de carbone) dans les éléments de construction (murs, plafonds et sols).
Matériaux de stockage de l'énergie par la combinaison de PRF conducteurs et isolants. Volvo applique déjà ce principe pour utiliser la carrosserie de la voiture comme batterie. Le même système pourrait être utilisé pour stocker l'énergie générée par les panneaux solaires dans des panneaux muraux ou de plafond en PRFV.

Profilés muraux ou de plafond co-extrudés à base de plastiques renforcés de fibres de carbone électriquement conducteurs (à l'intérieur) et de plastiques électriquement isolants (à l'extérieur). Ce système permet d'insérer et de connecter plusieurs systèmes électriques (LED, systèmes d'alarme...) dans un seul profil.
Bâtiment écologique
Technologie d'enrobage CF FRP pour réparer et améliorer les infrastructures existantes (ponts, viaducs, voies ferrées...) à moindre coût.
Rénovation avec une meilleure résistance au feu
Intégration de matériaux intelligentsPCM :
- stockage et libération d'énergie basés sur des matériaux à changement de phase
- polymères conducteurs (par exemple dans les panneaux solaires)
- revêtement FRP autonettoyant, autodégivrant et autocicatrisant
- Revêtements FRP avec fonctions de capteurs

FPR dans les soins de santé

La résistance, la légèreté et la conception adaptable/flexible des PRF sont des atouts majeurs dans le développement et la production d'« appareils auxiliaires d'assistance ». La croissance de ce segment de marché est liée au vieillissement de la population. Pour maîtriser les coûts liés aux soins de santé, il est important que les personnes âgées vivent à domicile le plus longtemps possible. Pour ce faire, elles doivent disposer de plusieurs appareils appropriés qui les aideront à répondre à leurs besoins en matière de mobilité, de communication et de soins de santé personnels.

En utilisant des plastiques renforcés de fibres de carbone - au lieu de composants métalliques - il est possible de réduire le poids des dispositifs simples (montures de lunettes, cannes de marche...) et complexes (fauteuils roulants, déambulateurs, robots d'assistance à la marche...). Réduire leur poids tout en préservant leur résistance nécessaire simplifiera leur utilisation, leur pliage, leur rangement...

La conception des dispositifs d'assistance, en particulier ceux utilisés pendant les activités de soins, doit être adaptable pour répondre aux besoins de confort et d'ergonomie d'une personne.

L'accessibilité financière des appareils dans le secteur des soins de santé reste un défi majeur.

Recyclage et Valorisation

En général, les PRF sont difficiles à recycler en raison de leur nature multiphasique, qui contient généralement trois composants ou plus : fibres de renforcement, matrice de résine et charges (généralement du carbonate de calcium, CaCO₃). Diverses technologies de recyclage ont été proposées, mais aucune ne s'est avérée économiquement viable. Dans de nombreux cas, le prix de la matière première produite à partir de composites recyclés est considérablement plus élevé que celui des renforts et des charges vierges.

Le recyclage des PRF thermodurcissables présente un défi particulièrement difficile à relever, car une fois que les molécules de la matrice thermodurcie sont réticulées, elles ne peuvent être ni fondues ni reformées. Les thermoplastiques, en revanche, sont intrinsèquement recyclables. En outre, la valeur des composants matériels des PRV récupérés lors du recyclage est faible. Il n'y a donc que peu d'incitation financière à recycler.

Les flux de déchets de PRV comprennent à la fois les déchets « post-production » (provenant de la production, de l'assemblage) et les déchets « post-consommation » ou EOL (produits et matériaux mis au rebut et défectueux).

En raison de la longue durée de vie des produits en PRFV (la durée de vie prévue des éoliennes est estimée à ± 25 ans, des bâtiments > 50 ans, des avions > 30 ans) avec les exceptions habituelles à la règle (voitures ± 10 ans, articles de sport ± 5 ans), E+E (< 5 ans) - il n'y a pas de grandes quantités de déchets PRFV-EOL disponibles pour le recyclage et la valorisation. La collecte sélective n'est pas évidente car de nombreux PRF sont des composants d'articles plus importants (voitures, appareils, installations, constructions...). En outre, de nombreux PRF sont difficiles à distinguer visuellement des plastiques ordinaires.

Les entreprises de recyclage ne sont pas (encore) équipées pour identifier, démanteler et trier les produits en PRFV en vue d'un recyclage ultérieur (par exemple, robotisation pour le démantèlement des déchets C).

La législation européenne oriente le recyclage des flux de déchets de PP et de PC-FRP, en mettant l'accent sur:

Défis et Opportunités

Le recyclage des PRF classiques à l'aide des techniques de recyclage existantes n'est économiquement viable que dans le cas de quantités suffisamment importantes.

L'histoire des plastiques renforcés de fibres de carbone (CF) est totalement différente. Les technologies actuellement disponibles permettent de produire des fibres de carbone recyclées (r-CF) extraites de plastiques renforcés de fibres de carbone (CFRP) d'une qualité répondant aux attentes des fournisseurs de l'industrie automobile en ce qui concerne leur application dans la production de thermoplastes et de thermodurcissables renforcés de fibres.

Compatibilisateurs

Les additifs compatibilisants permettent à des résines qui ne se mélangeraient pas proprement de se lier d'une manière qui améliore les performances par rapport à l'un ou l'autre des polymères pris isolément. L'utilisation de compatibilisants est de plus en plus explorée dans l'industrie du recyclage comme moyen de créer de la valeur dans les flux d'alimentation mixtes.

Les compatibilisants ont une nature hybride : une partie est compatible avec la substance A, une autre avec la substance B. La compatibilisation est basée sur les interactions physico-chimiques de ces substances avec le matériau hybride.

Antenne-Norme "Technique & Fonctionnel "

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