Solutions de rechange durables pour le développement de matériaux thermostables

2024/10/14 Eider Fuentes Aguirre - eider.fuentes@gaiker.esGAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila | Patricia Ares Elejoste - ares@gaiker.esGAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila | Aitziber Iturmendi Aguirrebeitia - iturmendi@gaiker.esGAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila | Koldo Gondra Zubieta - gondra@gaiker.esGAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila | Rubén Seoane Rivero - seoane@gaiker.esGAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Materialak

L'un des problèmes les plus graves à l'heure actuelle est l'épuisement du pétrole, c'est-à-dire la pénurie de produits pétroliers, mais il y a aussi de graves problèmes environnementaux liés à la consommation de pétrole, tels que la pollution et le changement climatique. C'est pourquoi la recherche sur les alternatives renouvelables dans les matériaux composites est de plus en plus en cours. (2)

Ces dernières années, des résines thermostables ont été développées à partir de sources renouvelables. Ils ne sont pas recyclables, mais ils représentent une grande amélioration de la durabilité. Pour rendre ces matériaux plus durables, l'utilisation de renforts renouvelables s'est accrue.

 

RÉSINES THERMOSTABLES ET DURABLES

Il y a un grand intérêt pour le développement de ces résines en raison de leurs propriétés. Ce type de résines, une fois polymérisées, ont la capacité de former des réseaux croisés qui apportent au composite d'excellentes propriétés chimiques, mécaniques et thermiques. Dans ce groupe de résines se distinguent l'époxie, le polyester, les binylesters et la bencoxacine (phénolique).

Résine PFA

La résine furanne est obtenue à partir des sous-produits de l'agriculture, notamment du furfural furanne, par hydrolyse catalytique de la biomasse. Cela devient un fémur alcoolique qui, par réaction de condensation, obtient la résine furane. Cette résine est adaptée pour remplacer la résine phénolique par sa stabilité thermique et ses bonnes propriétés mécaniques et sa durabilité.

Résine benzoxazine d’origine biologique

La résine benzoxacine thermostable est classée dans la famille des phénols. Au cours des dernières années, on s’intéresse beaucoup à ses avantages: bonne stabilité thermique, absence de contractions… Il est durable et flexible dans la conception moléculaire et permet de réaliser la synthèse avec des phénols et des amines de sources naturelles, comme la lignine, d’où on obtient des composés tels que la vanilline, l’eugénol et le guayacol. Ces composés permettent le développement de matériaux de polybentzoxacine avec différentes propriétés.

Résine époxyde d'origine biologique

Aujourd'hui, les résines époxy sont les résines d'origine biologique les plus développées. Ses caractéristiques comprennent la faible contraction, la facilité d'adaptation, la bonne adhérence et la haute résistance à l'extérieur.

Les résines biologiques époxy sont obtenues par deux voies principales: d'une part, la réaction directe avec les composés biologiques et, d'autre part, l'époxydation des doubles liaisons. Les résines époxydes biofondues sont divisées en trois groupes: aromatiques, aliphatiques et entièrement biologiques. Des cardinas, de la lignine et de l’acide gallique sont utilisés pour produire des résines aromatiques. Les huiles végétales, telles que le soja et le ricin, sont utilisées pour les résines aliphatiques, comme le montre la figure 2.

Résine de polyester

Les résines de polyester sont générées par la condensation d'acides et d'alcools, formant des réseaux croisés. Ils ont de bonnes propriétés mécaniques et, par rapport aux résines époxy, ont un faible coût. Ces derniers temps, l’intérêt pour l’utilisation de matières premières renouvelables pour la synthèse de ce type de résines, comme l’acide itaconique, s’est accru.

 

RENFORCEMENT DURABLE

Fibres naturelles

Les fibres naturelles, qui sont résistantes et rigides, possèdent les qualités appropriées pour une utilisation en composites. Par rapport aux composites traditionnels, les composites fabriqués à partir de fibres naturelles ont suscité une grande attention dans l'industrie, notamment en raison de leur densité et du respect de l'environnement. Les fibres naturelles sont constituées de nombreuses longues chaînes de cellulose et de lignine qui sont reliées par des liaisons hydrogène pour donner la solidité et la rigidité. En plus des fibres végétales, il existe des fibres animales telles que la laine, les plumes et les poils d'animaux, toutes d'importantes ressources.

Fibres naturelles et polymères composites

Les composites de fibres naturelles sont des matériaux formés par une matrice polymère. Des fibres naturelles robustes telles que le lin et le jute sont utilisées à cet effet. Les fibres naturelles sont de plus en plus utilisées, car elles ont une rigidité et une résistance similaires aux fibres de verre. L'humidité, le caractère hydrophilique des fibres et le nombre de fibres influent sur leurs propriétés. La composition chimique des fibres (cellulose, hémicellulose, lignine et cires) est également déterminante. Des études ont été réalisées sur l'adéquation de ces fibres, d'une part avec des matrices variées et, d'autre part, avec des procédés de fabrication pour le changement de surface.

Composites hybrides

Des compositions hybrides de fibres naturelles renforcées sont en cours d'élaboration dans le but d'être écologiquement plus adaptées et de répondre aux exigences des industries à la recherche de la durabilité. Les composites hybrides sont développés en plaçant deux ou plusieurs fibres naturelles dans une seule matrice. De nos jours, de nombreux chercheurs essaient de choisir la meilleure combinaison de fibres naturelles pour les exploiter et minimiser les inconvénients.

Noyaux durables

Les structures composites de type sandwich sont deux couches adossées à un noyau qui offrent une grande résistance à la compression et à la flexion, ainsi qu'une plus grande rigidité, sans gain de poids significatif. Ils sont particulièrement utiles dans l'industrie aérospatiale, dans la construction navale et dans les industries du transport et de la construction.

La prise de conscience croissante de l'environnement ces dernières années a conduit à la recherche et au développement de noyaux durables. Ces matériaux, obtenus à partir de sources renouvelables et recyclables, offrent des avantages tels que la biodégradabilité et l'isolation thermique et acoustique.

 

RECYCLAGE DES MATÉRIAUX

Ces dernières années, l'accumulation de matériaux composites à base de déchets a suscité une certaine inquiétude. C'est pourquoi de nombreux pays ont commencé à étudier la réutilisation et la recyclabilité de ces matériaux.

Ce paragraphe ne décrit pas chaque méthode de recyclage disponible pour les matériaux composites (recyclage mécanique, thermique et chimique), mais présente les études et développements les plus récents sur les résines thermostables recyclables. Parmi les progrès récents en matière de résines thermostables recyclables figurent:

- Résines phénoliques recyclables: Une résine phénolique entièrement recyclable, de bonne recyclabilité et de haute résistance thermique, comparable aux bitrimères, a été développée. (4)

- Résines époxydes auto-compensables : La résine époxy auto-évaluable et recyclable a fait l'objet de recherches et des propriétés mécaniques et thermiques ont été obtenues à l'aide de disulfure dans sa composition. (5)

- Technologie Recyclamine : permet le recyclage de matériaux composites à base de résine époxy, pour la récupération des renforts et la conservation adéquate des propriétés, en utilisant la solution diluée de l'acide acétique. (3)

- Résine Elium: Résine thermoplastique recyclable à base de monomères acryliques, avec de bonnes propriétés mécaniques et une facilité de traitement.

- Résine Akelite: C'est une résine acrylique qui peut être recyclée en se plongeant dans l'acétone, avec de bonnes propriétés mécaniques et une capacité de thermoformage.

Ces développements reflètent une avancée significative dans la durabilité des matériaux composites. En outre, les propriétés mécaniques et thermiques appropriées sont obtenues, ainsi qu'une recyclabilité croissante.

 

APPLICATIONS

Les applications des biocomposites ont pris de plus en plus de poids en Europe en raison des réglementations environnementales. En outre, la directive (1) EURO 6 punit les voitures dont les émissions de CO2 sont supérieures à 95 g/km et encourage l’utilisation de biocomposites pour réduire ces émissions. En outre, la directive 2000/53/CE fixe l'objectif de recycler 95% du poids des voitures en encourageant l'utilisation de biocomposites.

Les biocomposés ont des applications dans différents secteurs. Entre autres: électronique avancée, aéronautique, automobile, etc.

En outre, l'utilisation des biocomposites devrait augmenter au cours des prochaines années. Selon une étude, dans la période 2018-2030, le marché des composites a été évalué à 24,59 milliards de dollars en 2021 et devrait augmenter de 16,1% (1).

 

CONCLUSIONS

En conclusion, l’examen analyse les alternatives durables des systèmes thermostables conventionnels et souligne la nécessité d’études complémentaires pour le développement de résines à teneur biologique plus élevée. Les systèmes recyclables et thermostables ont des propriétés généreuses, et certains, comme Recyclamin, permettent de réutiliser le matériau dans la seconde vie. Malgré les progrès réalisés dans le domaine de la durabilité, il est nécessaire d’analyser d’autres solutions pour traiter globalement le problème de l’environnement.

 

BIBLIOGRAPHIE

1 Andrew, J.J.; Dhakal, H.N. 2022. “Sustainable biobased composites for advanced applications: Recent trends and future opportunities». Compos.

2 Ares-Elejoste, P. Seoane- Rivero, R., Gándarias, I., Iturmendi, A. La gondole, nommée K. 2023.“Sustainable Alternatives for the Development of Thermoset Composites with Low Environmental Impact” Polymers 15 (13).

3 La Rosa, A.D.; blanc, I.; Banatao, D.R. ; Pastine, S.J. ; Björklund, A.; Cicala, G. 2018.“Innovative Chemical Process for Recycling Thermosets Cured with Recyclamines® by Converting Bio-Epoxy Composites in Reusable Thermoplastic—An LCA Study.” Materials 11, 353.

4 Liu x.; Li, Y. Shing, X; Zhang, G.; Jing, 10. 2021 “Fully recyclable and high performance phenolic resin based on dynamic urethane bonds and its application in self-repairable composites.” Polymer, 229.

5 Zhang, Y.; Yuan, L.; Liang, G.; Nous A. 2018 “Developing Reversible Self-Healing and Malleable Epoxy Resins with High Performance and Fast Recycling through Building Cross-Linked Network with New Disulfide-Containing Hardener.” Eng. Chem. Res.57, 12397–12406.