Injection Moulding of Natural Fibre Reinforced Polypropylene : Process, Microstructure and Properties

Les fibres naturelles sont une alternative aux fibres de verre pour renforcer les polymères. Lors de la mise en œuvre par injection, la taille, l'orientation et la distribution de fibres évoluent en fonction de l'écoulement, et cela conditionne les propriétés des pièces injectées. L'objectif de cette thèse est de caractériser la microstructure de composites à base de deux types de fibres, le lin et Tencel®, et d'établir une corrélation avec leurs propriétés. Les fibres et matrice ont été mélangées en extrusion bivis et les composites obtenus injectés. La rupture de fibres est plus importante lorsque leur concentration augmente. La casse est principalement pendant la phase de mélange. Une nouvelle approche de caractérisation permettant la quantification des orientation, distribution et courbure de fibres a été développée. Les composites présentent une structure cœur-peau dans l'épaisseur de la pièce injectée. Les propriétés rhéologiques des composites ont été étudiées en modes dynamique et capillaire. Les fibres Tencel®, qui sont les plus flexibles, conduisent à une augmentation plus grande des viscosités, modules et seuil d'écoulement. Les propriétés mécaniques en traction et au choc ont été déterminées dans des éprouvettes prélevées dans des boites injectées avec différentes orientations par rapport à l'axe d'écoulement. Les propriétés d'impact des composites à fibres Tencel® sont supérieures à celles à base de lin et de verre. Des modèles ont été testés en prenant en compte l'orientation de fibres. Lors des campagnes d'injection, les pressions sur des capteurs situés dans la cavité ont été mesurées. Les pressions calculées avec le logiciel Rem3D sont en assez bon accord avec la mesure. Le modèle d'orientation de fibre rigide utilisé dans Rem3D donne des résultats corrects pour les fibres de lin, mais il s'est avéré inapproprié pour prédire l'orientation des fibres Tencel® extrêmement flexibles. Ce travail est réalisé dans le cadre de la Chaire Industrielle Bioplastiques financée par Mines ParisTech et Arkema, l'Oréal, Nestlé, PSA et Schneider ElectricNatural fibres are an alternative to glass fibres for reinforcing polymers. During injection, fibre size, orientation and distribution evolve as a function of flow and determine composite properties. The goal of this thesis is to characterize the microstructure of composites based on two types of fibres, flax and Tencel®, and to correlate with composite properties.The composites were prepared by extrusion and injection. Fibre rupture was higher at higher fibre concentrations. There was practically no breakage during injection. A new approach allowing quantification of fibre orientation, distribution and curvature was developed. The composites with cellulosic fibres have core-skin structure along the part thickness. The rheological properties of composites were studied in dynamic and capillary modes. Tencel® fibres, which are the most flexible, showed the highest viscosity, moduli and yield stress. Tension and impact were measured for samples cut from the moulded part at different orientations towards the main flow direction. Impact properties of Tencel®-based composites were the highest compared to flax and glass fibre composites. Models taking into account fibre orientation were tested. Pressure in the mould during injection was recorded. Pressure calculated with Rem3D software showed a reasonable agreement with the experiment. Modelling of fibre orientation with Rem3D gave results comparable with experiment for flax but turned out to be not applicable for Tencel® which are flexible.The work was performed within the Industrial Chair in Bioplastics supported by MINES ParisTech and Arkema, L'Oréal, Nestlé, PSA and Schneider Electric