Ce travail porte sur la production d’élastomères thermoplastiques basés sur un polymère thermoplastique (le polyéthylène de basse densité, LDPE) et un caoutchouc naturel (NR) recyclé provenant de pneus usés (ground tire rubber : GTR). Les échantillons ont été moulés par rotomoulage en utilisant deux méthodes de mélange : à l'état fondu par une extrudeuse bi-vis et par un mélange à sec en utilisant un mélangeur haute intensité afin de comparer l’effet du cisaillement et de l’histoire thermo-mécanique sur les propriétés mécaniques et physiques des composés. De plus, deux types de caoutchouc naturel recyclé ont été utilisés. Le premier est une matière recyclée provenant directement des pneus hors-route (off-the-road, OTR) par réduction de taille et le second est le même matériel ayant subi un procédé de régénération à l’échelle industrielle. Dans chaque cas, trois concentrations de caoutchouc ont été utilisées (20, 35 et 50% en poids) pour comparer avec les propriétés de la matrice seule (0%). Le travail a permis de déterminer l’effet des paramètres de mise en oeuvre comme le temps de chauffage, la température du four, le rapport de vitesse et la taille des particules pour optimiser le procédé rotomoulage. À partir des échantillons obtenus, une caractérisation morphologique (microscopie), physique (densité et dureté) et mécanique (tension, flexion et impact) a été effectuée. Les résultats ont montré que l'augmentation de la concentration en caoutchouc diminuait la rigidité et la résistance mécanique, mais augmentait l'élasticité et la ductilité. Finalement, bien que le mélange à l'état fondu a donné des propriétés légèrement supérieures au mélange à sec, ce dernier est intéressant afin de limiter la dégradation thermo-mécanique et oxydative des matériaux tout en réduisant les coûts et le temps de fabrication. / This project focuses on the production and characterization of thermoplastic elastomers, based on a thermoplastic polymer (low density polyethylene, LDPE) and recycled natural rubber (NR), obtained from ground tire rubber (GTR). The samples were rotomolded by two blending techniques: melt blending by twin-screw extrusion, and dry blending using a high speed mixer to study the effect of shear and thermo-mechanical history on the physical and mechanical properties of the compounds. Also, two types of recycled natural rubber were used in this study. The first one is a recycled material, obtained from off-the-road (OTR) tires after size reduction. On other hand, the second one is the same material which underwent a regeneration process at industrial scale. In each case, three rubber concentrations (20, 35, 50 wt.%) were used to compare with the properties of the neat polymer. In addition, the effect of several parameters such as: heating time, oven temperature, speed ratio of the rotating arms, and particle size is studied to optimize the rotomolding process. Then, from the samples produced, morphological (optical and scanning electron microscopy), physical (density and hardness) and mechanical (tension, flexion and impact) characterizations were performed. Based on the results obtained, it was shown that increasing the rubber concentration led to lower rigidity and mechanical strength, but higher elasticity and ductility. Finally, although the melt blending method provides better properties than the dry blending one, the latter is interesting to limit the thermo-mechanical and oxidative degradation of the materials, as well as reducing the costs and manufacturing time.

Dans ce travail, des composites à base de caoutchouc de pneus moulus (GTR)/résines thermoplastiques ont été produits avec succès en combinant une technique de mélange à sec avec un procédé de rotomoulage. Afin d'améliorer les propriétés mécaniques des composites résultants, certaines méthodes de modification ont été utilisées. À partir des composites rotomoulés, un ensemble complet de caractérisation comprenant les propriétés morphologiques, physiques (masse volumique et dureté) et mécaniques (traction, flexion et impact) a été réalisé. La première partie du travail a étudié l'effet de l'incorporation d'agents gonflants chimiques, de fibres de bois d'érable et de deux traitements de surface du GTR (modifié par le polyéthylène maléaté (MAPE) en solution et traité par irradiation micro-ondes) sur les propriétés mécaniques des composites GTR/polyéthylène linéaire de basse densité (LLDPE) produits par rotomoulage. La deuxième partie du travail a étudié l'effet du GTR traité au MAPE sur les propriétés mécaniques des composites GTR/polypropylène (PP) préparés par rotomoulage. Les propriétés mécaniques ont indiqué que le GTR traité par MAPE, parmi ces méthodes de modification, était une approche efficace pour améliorer la compatibilité et l'adhésion interfaciale des composites GTR/thermoplastiques. Par exemple, la résistance à l’impact du LLDPE/GTR (85/15) a montré une amélioration de 30% avec l’addition de 0.3% en poids de MAPE comparé au composite avec la même concentration de GTR sans traitement au MAPE. Aussi, e une augmentation de 52% de la résistance en impact pour le composite PP/GTR (50/50) a été obtenu avec l’introduction de 2% en poids de MAPE en comparaison avec une teneur similaire de GTR sans traitement au MAPE. / In this work, ground tire rubber (GTR)/thermoplastic composites were successfully produced by combining a dry-blending technique with a rotational molding process. In order to improve the mechanical properties of the resulting composites, different modification methods were used. From the rotomolded composites produced, a complete set of characterization including morphological, physical (density and hardness) and mechanical properties (tensile, flexural and impact) was performed. The first part of the work investigated the effect of chemical blowing agent and maple wood fibers concentration, as well as two GTR surface treatments (maleated polyethylene (MAPE) in solution and microwave irradiation) on the mechanical properties of GTR/linear low density polyethene (LLDPE) composites. The second part of the work studied the effect of MAPE treated GTR on the mechanical properties of GTR/polypropylene (PP) composites. Overall, the results showed that MAPE treated GTR was an effective approach for improving the compatibility and interfacial adhesion between GTR and thermoplastic composites. For example, the impact strength of LLDPE/GTR (85/15) composite reached a 30% improvement by adding 0.3 wt.% MAPE above that of the same GTR content without MAPE treatment. A 52% improvement of impact strength for PP/GTR (50/50) by introducing 2 wt.% MAPE was obtained compared to the composite with the same content of untreated GTR.

Cette thèse se décline en six parties. Le premier volet porte sur la compréhension du procédé de rotomoulage et une description des matériaux composites à base de fibres lignocellulosiques. Le second volet comporte une revue de la littérature sur les composites produits par rotomoulage, tandis que le troisième volet se consacre à la compréhension de la modification des fibres d’érables par le polyéthylène maléisé (MAPE) en solution et son influence et de la teneur en fibre sur les propriétés morphologiques et mécaniques des composites. Le quatrième volet étudie les effets de la taille des particules et la modification en solution, ainsi que la teneur en fibre sur les propriétés morphologiques, thermiques, physiques et mécaniques des composites. Le cinquième volet se penche sur l’effet de la modification, la teneur et la taille des fibres d’érable sur la morphologie et les propriétés physiques et mécaniques des auto-hybrides. Finalement, le dernier volet étudie l’influence de la modification en solution avec du MAPE, la teneur et la taille des fibres sur la morphologie et les propriétés mécaniques des composites hybrides à base de fibres d’érable et de chanvre. Les résultats montrent que les fibres (érable et chanvre) ont été modifiées avec succès par le MAPE en solution, ce qui a amélioré la qualité de l’interface fibre-matrice des composites, conduisant à de meilleures propriétés mécaniques. En outre, les résultats ont prouvé que l’effet de la taille de particule était significatif. En effet, le module de traction augmente jusqu’à 73% lors de l’utilisation de fibres d’érable de 355-500 μm à 30% en poids. Une augmentation de 52% de la résistance au choc a été réalisée avec l’utilisation de 30% en poids de fibre d’érable (355-500 μm) comparé à ceux produits avec 125-250 μm. D’autre part la production de composites auto-hybrides a été en mesure d'améliorer les propriétés mécaniques comparées aux composites simples. Enfin, une augmentation du module de traction (63%), de la contrainte maximale (17%) et de la densité (17%) a été réalisée lors de l’utilisation d’un ratio de 75/25 de fibre d’érable/chanvre à 20% en poids total de fibre par rapport à la matrice seule. / This thesis is divided into six parts. The first part is related to the understanding of the rotomolding process and a description of composite materials based on lignocellulosic fibers. In the second part, a literature review on composites produced by rotomolding is presented. The objective of the third part is to understand the modification of maple fibers in solution by maleated polyethylene (MAPE) and its effect combined with fiber content on the morphological and mechanical properties of the composites. The fourth part studies the effects of fiber size, modification in solution as well as fiber content on the morphological, thermal, physical and mechanical properties of the composites. The fifth part investigates the effect of MAPE modification in solution, fiber content and particle size of maple fibers on the morphological and mechanical properties of selfhybrid composites. Finally, the effect of the surface treatment in solution, the content and the fiber size (maple and hemp) on hybrid composites is presented. The results showed that the fibers (maple and hemp) were successfully modified by MAPE in solution, which improved the interface quality between the matrix and fibers, leading to better mechanical properties. Moreover, the results showed that the effect of fiber size was significant as the tensile modulus increased by up to 73% with the use of 355-500 μm at 30% wt. of maple fiber compared to those produced with 125-250 μm. The production of self-hybrid composites was able to improve the mechanical properties compared to simple composites. An increase in the tensile modulus (63%), tensile strength (17%) and density (17%) was obtained by using a 75/25 ratio of maple/hemp fibers at a total fiber content of 20% wt. compared to the neat matrix.

L'idée d'utiliser des fibres végétales naturelles comme renfort dans une matrice de polymère n'est pas tout à fait nouvelle, mais dans un contexte où le recours à des ressources renouvelables tend à devenir une priorité, elle est désormais considérée comme une voie prometteuse et doit poursuivre sa contribution aux objectifs de développement durable tout en continuant à répondre aux préoccupations environnementales. D'autant que des industriels ont déjà mis au point la production de composites renforcés de fibres végétales pour des applications ciblées. Ils s'efforcent donc d'élargir leurs marchés qui sont encore modestes. Seulement quelques dizaines de milliers de tonnes de fibres végétales sont intégrées aujourd'hui dans des composites, à comparer aux 2 millions de tonnes de fibres de renfort de synthèse utilisés par an [1]. Associer l'industrie du bois à celle des plastiques est un segment d'affaire qui peut permettre à l'industrie du bois de trouver des solutions adaptées à l'économie québécoise, en investissant dans la dans la recherche, l'innovation et la modernisation des équipements. Cela permet aussi d'accroître et de parfaire la production de produits tels que les panneaux à base de bois, les bois d'ingénierie, les bois-polymères, ainsi que d'autres produits à valeur ajoutée. Le renforcement d'un polymère avec des fibres naturelles qui ne sont pas compatibles avec la matrice produira un matériau totalement différent. D'un point de vue mécanique en général, cette charge améliore certaines propriétés comme la résistance mécanique et au fluage. Néanmoins, qu'en est-il pour leurs propriétés thermophysiques (conductivité et diffusivité thermique) qui sont des paramètres aussi importants pour prédire les variations de température au cours d'un processus spécifique? En particulier, dans le cas de procédés où les matériaux vont subir un changement de phase (c'est le cas du rotomoulage par exemple), où un risque de dégradation thermique est toujours présent dû au long cycle de production. Ces propriétés suscitent donc beaucoup d'intérêts pratiques et théoriques. C'est la raison pour laquelle un grand nombre de ces travaux ont été réalisés dans ce domaine. L'objectif principal de ce mémoire est de se confronter à certaines de ces difficultés pour tenter d'établir la relation entre le comportement thermique d'un composite bois-polymère et l'influence des paramètres tels que le taux de charges, l'orientation et le changement de température sur l'évolution des propriétés thermophysiques, et cela on déterminant les conductivités thermiques apparentes des composites étudiés et la création d'un modèle simplifié afin de simuler un cycle de rotomoulage, en tenant compte du changement de phase. On vise ici le rotomoulage comme procédé de mise en forme afin de simuler tous les phénomènes de transfert de chaleur, et cela pour un composite bois-polymère dont la variation des paramètres cités précédemment (taux de charge, l'orientation et la distribution de taille) sera maitrisée. Dans un premier temps, le travail consiste donc à développer un modèle de simulation pour prédire le comportement thermique d'un composite bois-polymère. Par la suite, il faudra déterminer l'influence du taux de charge sur l'évolution des conductivités thermiques en fonction de la température, à l'état solide et à l'état fondu de la matrice polymère. Ceci se fera en comparant les résultats entre la simulation et les résultats expérimentaux. La deuxième partie du projet consiste à prédire le comportement de ce composite avec un modèle thermique simplifié, pour un procédé de rotomoulage en tenant compte des paramètres essentiels et de voir aussi l'influence de toutes données qui peuvent être modifiées dans le but d'optimiser le cycle, de suivre l'évolution des températures dans les différentes couches de polymère/composite ainsi formé, au niveau du four et de l'air interne, de la température en chaque instant du cycle thermique, à différents temps de chauffe, etc. La dernière partie de ce mémoire discutera de tous les résultats obtenus et de conclure sur la validité du modèle de simulation dans le cas des calculs de conductivités thermiques et la modélisation du cycle de rotomoulage.

La mise en oeuvre des composites bois-plastique exige de résoudre trois difficultés: le manque d'adhésion des particules de bois au polymère (dispersion et propriétés mécaniques affectés), la dégradation thermique des particules et la variabilité des propriétés du bois. La mise en oeuvre ici a été faite par rotomoulage ou en moulage compression pour des teneurs variables en poudre de bois et en agent couplant. Les propriétés mécaniques en flexion, en torsion, en traction et en resilience, en plus des propriétés physiques en vieillissement accéléré, en sollicitation thermique et les dimensions structurales ont été caractérisées. Les résultats montrent qu'indépendamment du type de sollicitation (traction, flexion ou torsion dynamique) la rigidité et la résistance des échantillons composites rotomoulés est moindre que ceux obtenus en moulage par compression. Néanmoins, la résistance à l'impact des échantillons rotomoulés est comparable à celle obtenue en moulage compression. En vieillissement accéléré, les échantillons composites ont subit un changement de couleur qui dépend de la teneur en bois et de la qualité de la surface. La clarté augmente avec le temps de vieillissement et les échantillons jaunissent dans les premières heures, puis évoluent vers le bleu.