04 Mars 2020  |  Chimie
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 12/2019

Prédire les propriétés des matériaux composites

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. L’amélioration du recyclage du PET et la réalisation de matières synthétiques conductrices pour l’industrie solaire sont deux exemples d’application.

Ali Gooneie, chercheur à l’Empa, simule sur ordinateur la manière dont les choses se passent au cœur de la matière : atomes, molécules, chaînes et faisceaux de molécules, ainsi que 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.
Nombre de ces propriétés sont intrinsèques au matériau considéré. Métal ou bois, plastique ou céramique, roches ou gel – leur propriétés ont déjà été largement scrutées. Mais qu’en est-il des matériaux composites ? D’où tirent-ils leurs propriétés, comment les modifier en connaissance de cause ? On peut les étudier expérimentalement en laboratoire, mais cela ne suffit plus : la recherche actuelle entend calculer ces propriétés à l’avance pour rapidement focaliser les expériences.
 
On ne parle de fibre synthétique que lorsque sa structure moléculaire, faite de petits cristaux orientés, présente notamment les qualités de flexibilité et de résistance à la traction souhaitées. (Image : iStock)

 
Un spécialiste en simulation numérique
Ali Gooneie est un des 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 qu’après mes études d’ingénieur, je me sois plongé toujours plus profondément dans l’univers formel de la physique, je n’ai jamais perdu le contact avec le monde réel. La simulation ne m’apparaît pas comme une fin en soi. J’y recours pour expliquer quels effets peuvent apparaître dans les matériaux et comment les observer », explique-t-il.
 
Quelle impression font les cheveux au toucher ? Et pourquoi ?
Pour bien comprendre l’objet des calculs d’Ali 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, les déteindre et les gonfler au sèche-cheveux. D’où tiennent-ils toutes ces propriétés ?
Les cheveux sont composés d’acides aminés qui forment de longues chaînes protéiniques : les kératines. Ces molécules forment des fils, puis des fibres. Un jeu de membranes cellulaires relie ces fibres. Les faisceaux ainsi formés – une matière vivante – sont enveloppés par plusieurs couches de cellules cornées mortes disposées comme les écailles d’une pomme de pin. 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 ceux-ci sont insérés.
Prenons du recul et visualisons les molécules comme autant de petites billes formant un collier. À 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.
 
Ali Gooneie détient des échantillons de son dernier projet : le plastique électroconducteur. Au tableau noir, les premiers calculs pour son prochain travail. (Photo : Empa)


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, cet expert en simulation y travaille au département « Advanced Fibers » sous la direction de Manfred Heuberger. L’un des objectifs des travaux de ce chercheur consiste à poursuivre le développement des fibres synthétiques – un enjeu économique de taille : deux tiers environ des fibres utilisées dans le monde sont actuellement produites 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 notamment les qualités 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 micron.
 
Des polymères composites conducteurs
Ali Gooneie a déjà accompagné plusieurs projets. L’un d’eux avait pour but d’incorporer des nanotubes de carbone (CNT) dans une matrice de polyamide. Bien dosés, ces nanotubes peuvent convertir une matière synthétique en conducteur, ce qui est intéressant, pour l’industrie photovoltaïque, par exemple. 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 matériaux composites cernaient la question et tentaient d’y répondre par une succession d’expériences chimiques. Ali Gooneie a abordé le problème 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 de polyamide extrudée à 245 °C. Les analyses subséquentes ont montré que la conductivité était la meilleure pour une teneur pondérale de 0,15 % de CNT. Main dans la main, les essais en laboratoire et les mathématiques appliquées ont permis de résoudre élégamment la question.
 
Les problèmes de recyclage du PET
Les simulations numériques sont aussi une aide précieuse dans les projets de recyclage. En 2018, près de 48’000 tonnes de bouteilles en PET ont été récoltées en Suisse. L’industrie a pu en tirer 35’000 tonnes de matériaux recyclés. Ce plastique est très apprécié pour sa résistance mécanique, son étanchéité à l’air et aux gaz, ainsi que pour sa bonne résistance aux hautes températures. Mais on ne peut pas le recycler indéfiniment. Lorsqu’on le fond et le refond trop souvent, certaines de ses molécules s’oxydent, se réticulent, forment des pelotes et le matériau devient visqueux, puis vitreux.
 
Un additif apporte une solution
Un additif pourrait y remédier. Il s’agit du DOPO-PEPA, un matériau 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 alors de nouveau fait appel à Ali Gooneie. Première étape de son travail : vérifier si le DOPO-PEPA se laisse incorporer au PET aux températures envisagées. Après quoi, le chercheur 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.
 
Bibliographie
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
 
 
Ali Gooneie
Advanced Fibers
Tél. 058 765 74 11
ali.gooneie@empa.ch
 
Prof. Manfred Heuberger
Advanced Fibers
Tél. 058 765 7878
manfred.heuberger@empa.ch


15 Avril 2020  |  Chimie

Anatomie des atomes

Nous avons évoqué, lors du précédent article paru le mois dernier, l’origine et la structure des atomes. Nous nous intéressons maintenant à leur transformation – plus précisément à la transmutation de leurs noyaux par désintégration radioactive, fusion nucléaire ou synthèse dans des réacteurs –, ainsi qu’aux isotopes et aux îlots de stabilité. Aujourd’hui, l’étude des noyaux exotiques créés artificiellement pourraient lever le voile sur le mystère de l’origine de la matière.
06 Mai 2020  |  Chimie

Anatomie des molécules

De la plus simple – le dihydrogène – aux plus complexes, comme les polymères et les macromolécules, les protéines ou l’ADN, qui peuvent posséder plusieurs dizaines de milliers d’atomes, les molécules constituent la structure de base de la matière. Elles se forment par l’association d’atomes reliés par des liaisons de différentes natures.
POLYMEDIA SA | Av. de Riond-Bosson 12 | CH-1110 Morges | T: +41 (0)21 802 24 42 | F: +41 (0)21 802 24 45 | info@polymedia.ch