Le contexte environnemental actuel contraint l’industrie automobile à trouver des solutions pour réduire les émissions de CO2 des véhicules. Une des voies développées consiste à alléger les véhicules en substituant les matériaux à densité élevée comme l’acier par des matériaux plus légers comme les composites. Parmi eux, les SMC (Sheet Molding Compound), généralement employés pour des applications semi-structurales, aspirent à des applications structurales, à condition d’améliorer leurs performances mécaniques (notamment en choc et en fatigue). Les SMC sont composés d’une phase polymère organique (réseau polyester ou vinylester associé à un additif anti-retrait), de charges inorganiques et de fibres de renfort. Cette étude s’est concentrée sur le rôle de la matrice (phase organique + charges) sur les propriétés à la rupture de formulations SMC à fibres de verre et fibres de carbone. Trois axes de recherche ont été développés : i) Analyse de l’existant en évaluant le rôle de l’additif anti-retrait et celui des charges sur les propriétés mécaniques de matrices SMC, ii) Renforcement de matrices SMC par l’utilisation de particules core-shell (CSR), iii) Evaluer le rôle de la matrice sur les SMC à partir des précédents résultats. Dans un premier temps, il a été montré que l’ajout d’un additif de type polystyrène, initialement immiscible dans une résine polyester, conduit à une diminution de la résistance au choc. L’impact de l’augmentation du taux d’un additif initialement miscible (polyester saturé ou polyacétate de vinyle) de faible Tg est gouverné par deux effets antagonistes : la présence de plus en plus importante d’une phase souple renforçante et le développement de microvides qui dégradent les propriétés mécaniques. Puis, l’effet des charges inorganiques a été analysé. Il a été montré que l’ajout de CaCO3 conduisait à une amélioration de la résistance à la propagation de fissure. La résistance à l’amorçage de fissure semble être liée au retrait de polymérisation. La diminution des propriétés à la rupture en présence de microsphères de verre a été démontrée. L’utilisation de charges alternatives a également été explorée. Dans un second temps, des matrices vinylester ont été renforcées par des particules core-shell, qui ont démontré leur efficacité en augmentant considérablement la résistance au choc et la ténacité des systèmes. Des analyses microscopiques ont permis d’identifier des mécanismes de renforcement. Enfin, le rôle de la matrice sur les SMC a été évalué. Ainsi, une augmentation du taux d’additif dans les SMC renforce la matrice et modifie probablement la résistance de l’interface fibre-matrice, entraînant une augmentation de la résistance au choc. L’ajout CaCO3 dégrade cette propriété. De plus, celui-ci masque l’effet renforçant des particules core-shell. Enfin, sur composites à fibres de carbone sans CaCO3, l’ajout de particules CSR permet d’augmenter jusqu’à 20% leur résistance au choc et d’améliorer leur tenue en fatigue. / Because of the current environmental context, automotive industry has to find solutions to reduce CO2 emissions of vehicles. In order to address this issue, one of the possible ways concerns the reduction of the overall weight of cars by substituting heavy steel parts by lightweight composite materials. Among composite materials, Sheet Molding Compounds (SMCs) are used in cars (semi-structural parts) thanks to their low cost and low weight. Their use in structural applications is relevant, provided that their mechanical properties are improved (especially in impact and fatigue). These composites are generally constituted of a polymer matrix (unsaturated polyester or vinylester resin blended with an anti-shrinkage additive) reinforced by short fibers and mineral fillers. The aim of this work was to evaluate the role of the matrix on the mechanical properties of carbon fibers (FC-SMC) and glass fibers-based SMC composite (FV-SMC). Three points were developed : i) a study of existing SMC formulations by assessing the influence of low-profile additive and inorganic fillers on the matrices mechanical properties, ii) a study of the toughening of SMC matrices by adding core-shell rubbers particles (CSR), iii), from the previous results, a last part to assess the impact of the matrix on SMC mechanical properties. First, it was shown that adding a polystyrene (PS) low-shrinkage additive, initially immiscible with a polyester resin (before polymerization), leads to a reduction of Charpy impact resistance, because of PS domains which act as defects. When an initially miscible low-Tg additive is used (PVAc or saturated polyester SP), two antagonist effects were found. When the amount of PVAc or SP was increased, a competition between composition (the presence of a soft phase is more important) and morphology (larger microvoids are created, which lead to a drop of fracture toughness) controlled the evolution of mechanical properties. Then, it was shown that CaCO3 improved fracture toughness of materials. Crack initiation resistance seemed to be lied to polymerization shrinkage. Adding glass microspheres led to a drop of mechanical properties. Other types of fillers were also investigated. In a second part, vinylester matrices were blended with CSR particles. An important toughening was obtained in comparison to a standard SMC matrix. Toughening mechanisms like CSR cavitation, plastic deformation of the matrix or crack-bridging were identified with electronic microscopic observations. Finally, the role of the matrix on SMC was studied. Increasing the rate of saturated polyester (low-profile additive) in FC- SMC formulations led to a better Charpy impact resistance, because of the higher matrix toughness and a probable modification of the fiber/matrix adhesion. With CSR particles in FV-SMC, the presence of CaCO3 limited the toughening. On FC-SMC without fillers, CSR particles led to a better Charpy impact resistance and a better fatigue behavior.

On s'intéresse dans cette étude au potentiel de copolymères à blocs (BCP) de types PBA-b-P(MMA-co-DMA) et PBA-b-P(BA-co-DMA) en tant qu'additifs multifonctionnels nanostructurant la matrice thermodurcissable polyester insaturé de composites SMC et BMC. La nanostructuration de la résine polyester insaturé (UPR) est assurée par la ségrégation du bloc élastomère poly(acrylate de butyle), ainsi que par la miscibilité du deuxième bloc dans le réseau grâce à la bonne compatibilité des motifs diméthylacrylamide (auto-assemblage). Ces BCP sont tout d'abord étudiés en tant qu'agents renforçants et anti-retrait dans les composites SMC et BMC, en étant substitués et comparés aux additifs anti-retrait conventionnels PVAc et P(MMA-co-S) incorporés traditionnellement afin de compenser le retrait de la résine polyester. Ces additifs nanostructurants sont ensuite évalués en tant qu'agents de mûrissement des compounds SMC. La nanostructuration des BCP dans la résine UP réactive pouvant entrainer une importante augmentation de la viscosité (formation d'un gel), ces additifs pourraient peut-être constituer des agents de mûrissement plus efficaces que l'oxyde de magnésium couramment utilisé à cet effet. Une étude des matrices [UPR + BCP, UPR + PVAc et UPR + P(MMA-co-S)] est réalisée dans un premier temps, les composites BMC et SMC chargés par du carbonate de calcium et renforcés par des fibres de verre étant étudiés par la suite. En absence de charges et de fibres de verre (matrice seule), la nanostructuration est moins efficace que la macroséparation de phase des additifs conventionnels PVAc et P(MMA-co-S) pour compenser le retrait du réseau polyester. Dans un composite en revanche, la nanostructuration conduit à une compensation du retrait intermédiaire entre celles du P(MMA-co-S) et du PVAc. Au niveau de la matrice seule, la nanostructuration permet d'éviter une diminution conséquente de l'énergie de rupture du réseau polyester et permet même dans certains cas une amélioration significative de cette dernière, alors que les additifs conventionnels engendrent un effondrement de cette propriété. Cette différence est cependant beaucoup moins visible dans le cas des composites, les charges entrainant une fissuration prématurée de la matrice. Un composite nanostructuré peut tout de même présenter un renforcement significatif par rapport aux composites conventionnels lorsqu'il contient des nanovides compensateurs de retrait de tailles conséquentes qui améliorent la ténacité du matériau. En ce qui concerne le mûrissement d'un compound SMC par nanostructuration au cours du refroidissement (passage de la transition ordre-désordre), si l'augmentation de la viscosité d'un système réactif UPR + BCP semble suffisamment importante et abrupte, elle est cependant insuffisante en présence des charges ou alors intervient à une température trop faible en raison de l'influence de ces dernières sur la nanostructuration.

On s’intéresse dans cette étude au potentiel de copolymères à blocs (BCP) de types PBA-b-P(MMA-co-DMA) et PBA-b-P(BA-co-DMA) en tant qu’additifs multifonctionnels nanostructurant la matrice thermodurcissable polyester insaturé de composites SMC et BMC. La nanostructuration de la résine polyester insaturé (UPR) est assurée par la ségrégation du bloc élastomère poly(acrylate de butyle), ainsi que par la miscibilité du deuxième bloc dans le réseau grâce à la bonne compatibilité des motifs diméthylacrylamide (auto-assemblage). Ces BCP sont tout d’abord étudiés en tant qu’agents renforçants et anti-retrait dans les composites SMC et BMC, en étant substitués et comparés aux additifs anti-retrait conventionnels PVAc et P(MMA-co-S) incorporés traditionnellement afin de compenser le retrait de la résine polyester. Ces additifs nanostructurants sont ensuite évalués en tant qu’agents de mûrissement des compounds SMC. La nanostructuration des BCP dans la résine UP réactive pouvant entrainer une importante augmentation de la viscosité (formation d’un gel), ces additifs pourraient peut-être constituer des agents de mûrissement plus efficaces que l’oxyde de magnésium couramment utilisé à cet effet. Une étude des matrices [UPR + BCP, UPR + PVAc et UPR + P(MMA-co-S)] est réalisée dans un premier temps, les composites BMC et SMC chargés par du carbonate de calcium et renforcés par des fibres de verre étant étudiés par la suite. En absence de charges et de fibres de verre (matrice seule), la nanostructuration est moins efficace que la macroséparation de phase des additifs conventionnels PVAc et P(MMA-co-S) pour compenser le retrait du réseau polyester. Dans un composite en revanche, la nanostructuration conduit à une compensation du retrait intermédiaire entre celles du P(MMA-co-S) et du PVAc. Au niveau de la matrice seule, la nanostructuration permet d’éviter une diminution conséquente de l’énergie de rupture du réseau polyester et permet même dans certains cas une amélioration significative de cette dernière, alors que les additifs conventionnels engendrent un effondrement de cette propriété. Cette différence est cependant beaucoup moins visible dans le cas des composites, les charges entrainant une fissuration prématurée de la matrice. Un composite nanostructuré peut tout de même présenter un renforcement significatif par rapport aux composites conventionnels lorsqu’il contient des nanovides compensateurs de retrait de tailles conséquentes qui améliorent la ténacité du matériau. En ce qui concerne le mûrissement d’un compound SMC par nanostructuration au cours du refroidissement (passage de la transition ordre-désordre), si l’augmentation de la viscosité d’un système réactif UPR + BCP semble suffisamment importante et abrupte, elle est cependant insuffisante en présence des charges ou alors intervient à une température trop faible en raison de l’influence de ces dernières sur la nanostructuration. / The aim of this study is to evaluate the potential of PBA-b-P(MMA-co-DMA) and PBA-b-P(BA-co-DMA) block copolymers (BCP) as multifunctional additives nanostructuring the unsaturated polyester thermosetting matrix of SMC and BMC composites. The nanostructuration of the unsaturated polyester resin (UPR) is ensured by the segregation of the poly(butyl acrylate) elastomeric block, and by the miscibility of the second block in the thermoset thanks to the good compatibility of dimethylacrylamide units (self-assembly). These BCP are first studied as reinforcing and anti-shrinkage agents in SMC and BMC composites, as compared to conventional low profile additives PVAc and P(MMA-co-S) traditionally blended to compensate the polyester resin shrinkage. These nanostructuring additives are then studied as thickening agents in SMC compounds. As the nanostructuration of BCP in the UP reactive resin can lead to a high viscosity increase (gel formation), BCP might provide a more efficient thickening than the conventional additive magnesium oxide. Matrices are studied first [UPR + BCP, UPR + PVAc and UPR + P(MMA-co-S)], BMC and SMC composites filled with calcium carbonate and reinforced by chopped glass fibres being then considered. In the absence of fillers and fibres (neat matrix), the nanostructuration is less efficient than the macrophase separation of PVAc and P(MMA-co-S) to compensate the polyester resin shrinkage. However, in a composite, the nanostructuration leads to an intermediate shrinkage compensation between those of P(MMA-co-S) and PVAc. In the neat matrix, the nanostructuration avoids a substantial decrease of polyester network toughness and can even lead sometimes to a significant reinforcement, whereas conventional additives decrease tremendously this property. However, this difference is not observed in composites, fillers giving rise to an early cracking of the matrix. A nanostructured composite can still present a significant reinforcement compared to conventional composites when it contains large nanovoids (compensating shrinkage) which improve the fracture toughness of the material. As regards the thickening of an SMC compound by nanostructuration during cooling (crossing of the order-disorder transition), the viscosity increase of a UPR + BCP reactive system seems important and sharp enough, but in the presence of fillers the viscosity increase is not sufficient or the order-disorder transition temperature is too low because of the influence of fillers on the nanostructuration.

De par leurs bonnes propriétés mécaniques, leur faible densité, leur faible coût, et leur bel aspect de surface, les composites SMC (Sheet Molding Compound) sont des matériaux de choix pour réaliser des pièces automobiles semi-structurelles. Ces matériaux sont principalement constitués d’une résine polyester (UPR), d’un additif thermoplastique comme agent anti-retrait, de carbonate de calcium comme charge et de fibres de verre coupées comme renfort. Le contexte environnemental et socio-économique actuel encourage les constructeurs automobiles à utiliser des matériaux issus de ressources renouvelables afin de réduire l’utilisation des réserves pétrolières, et de trouver une alternative au styrène (COV, polluant atmosphérique dangereux et potentiellement cancérigène) qui est utilisé comme diluant réactif (DR) dans les UPR. L’objectif de ce travail est de développer une matrice organique biosourcée (UPR et agent anti-retrait) pour composite SMC moulable par le même procédé de mise en forme et présentant le même niveau de performance comparé à l’existant pétrosourcé. La première partie de ce travail est consacrée à l’évaluation de nouveaux diluants réactifs biosourcés (MMA, BDDMA, BDDVE, EDI, IBOMA et LMA) comme substituants du styrène sur la base des contraintes liées au procédé SMC. Les résines sélectionnées ont ensuite été polymérisées et les réseaux obtenus caractérisés. Le mécanisme de copolymérisation a été étudié et a permis de mettre en évidence l’influence de la nature chimique des insaturations et de la fonctionnalité du DR sur les propriétés finales du réseau. De par sa faible viscosité, sa faible volatilité et son point éclair élevé, le BDDMA est un bon candidat pour remplacer le styrène dans les UPR. La partie suivante est consacrée à la caractérisation d’un prépolymère polyester insaturé et de différents agents anti-retrait biosourcés. Des matrices organiques ont été formulées avec différents agents anti-retrait, puis polymérisées et caractérisées. L’influence de la nature et du taux d’agent anti-retrait sur le retrait de polymérisation et les propriétés mécaniques a été évaluée. Des essais sur composites SMC à l’échelle pilote ont été réalisés afin d’étudier les propriétés finales des composites biosourcés. La meilleure compensation du retrait est obtenue pour l’additif de plus faible Tg, c'est-à-dire le polyester saturé biosourcé. Le réseau à base de BDDMA étant très fragile, la suite de ce travail a consisté à réduire la densité de réticulation du réseau en introduisant un monométhacrylate biosourcé dans la formulation (MMA, IBOMA et LMA) afin d’améliorer les propriétés au choc du matériau. Enfin, un nouveau DR biosourcé, le lévulinate de vinyle, a été évalué comme substituant du styrène dans les UPR. Le mécanisme de copolymérisation a été mis en évidence et relié à la structure et aux propriétés finales du réseau. / Due to their good mechanical properties, low density, low cost and good surface properties, SMC composites (Sheet Molding Compound) are suitable for manufacturing half-structural automotive parts. These materials are mainly based on a unsaturated polyester resin (UPR), thermoplastics as low profile additives, calcium carbonate as filler and chopped glass fibers. Current environmental and socio-economic concerns motivate automotive manufacturers to use bio-based materials in order to reduce the use of crude oil reserves and to find an alternative to styrene (VOC, hazardous air pollutant, potential carcinogen) which is used as reactive diluents (RD) in UPR. The aim of this work was to develop a bio-based organic matrix (UPR and low profile additive) for SMC composites with a similar processability and same level of performances compared to petroleum-based analogs. The first part of this work describes the evaluation of new bio-based reactive diluents (MMA, BDDMA, BDDVE, EDI, IBOMA and LMA) as styrene substituents for UPR, taking into account SMC process requirements. Selected resins were polymerized and the obtained networks characterized. Copolymerization mechanism was studied and allowed to highlight the influence of the chemical nature of unsaturations and the functionality of reactive diluents on network properties. Due to its low viscosity, low volatility and high flashpoint, BDDMA is a good candidate to replace styrene in UPR. Next part was dedicated to the characterization of bio-based unsaturated polyester and low profile additives. Several organic matrices were formulated with different low profile additives, then polymerized and characterized. The influence of the low profile additive nature and content on the polymerization shrinkage and mechanical properties of the material was evaluated. SMC composites were manufactured at the pilot scale and characterized in order to study the final properties of bio-based composites. The best shrinkage control is obtained with low-Tg additive (bio-based saturated polyester). Nevertheless BDDMA-based network is very brittle, so a next step of our work was to introduce a monofunctional methacrylate (MMA, IBOMA and LMA) into the matrix in order to decrease the crosslink density of the network and improve its impact resistance. The influence of the methacrylate nature and content on the structure and mechanical properties of the polyester networks was highlighted. Finally, a new bio-based RD, vinyl levulinate, was evaluated to replace styrene in UPR. Its copolymerization mechanism with UP was studied and related to the structure and mechanical properties of the network.