204 - Matériaux

Le stress hydrique n’a pas de frontières et empire en raison des changements climatiques. Le Québec possède de grandes ressources en eau douce, mais cette ressource est loin d’être équitablement répartie dans le monde. Des sources d’eau alternatives, incluant l’adsorption depuis l’atmosphère, sont nécessaires pour sécuriser nos ressources hydriques. L’atmosphère terrestre contient approximativement 13 000 km² d’eau douce. En comparaison, 3 472 km² d’eau circule annuellement dans l’ensemble des lacs et rivières du Canada. Ce projet de recherche appliquée vise à développer des adsorbants nanoporeux à base de carbone. Nos éponges nanoporeuses (ÉNP), produites par la pyrolyse de résine, rivalisent directement avec les réseaux métallo-organiques, mais à un coût bien moindre. Les conditions de synthèse de la résine et les conditions de pyrolyse ont un impact majeur sur le rendement ainsi que les performances. Nos récents travaux optimisent les performances des ÉNP tels que leur vitesse d’adsorption d’eau, leur capacité d’adsorption en fonction du degré hygrométrique (0,55 kg/kg à 95 % HR et 0,45 kg/kg à 60 % HR) et le rendement de la pyrolyse. Nos résultats démontrent que les ÉNP ont des performances répétables et stables cycle après cycle. Un prototype produisant 1 litre d’eau par jour sera bientôt mis en service et d’importants travaux ont lieu afin de mettre à l’échelle le procédé de fabrication.

La prise de conscience écologique et la nécessité de développer des matériaux durables ont intensifié l’émergence des fibres naturelles dans l’industrie des matériaux composites en raison de leurs propriétés mécaniques compétitives face aux fibres de verre. Dans ce projet de thèse, le comportement à l’impact et en fatigue post-impact d’un matériau composite fabriqué à partir de renforts unidirectionnels (UD) de lin est étudié. En ce qui concerne les fibres naturelles, ce sujet est très peu abordé dans la littérature. Les renforts de lin, nommés UD-mat et utilisés dans le cadre de cette thèse, sont relativement nouveaux. Les composites pris en considération sont de type lin/époxy et verre/époxy et sont fabriqués à partir de renforts UD-mat et UD, respectivement. Les deux configurations choisies sont : [0]₈ et [0/90]_2S. L’étude du comportement de ces configurations face à un impact à basse vitesse montre une forte capacité d’absorption d’énergie pour le lin/époxy et une résistance à l’impact élevée pour le verre/époxy. Les essais de fatigue avant impact montrent une meilleure tenue en fatigue pour les croisés de lin/époxy en matière de contraintes normalisées par rapport à la contrainte de rupture du composite. La microtomographie et d’autres techniques sont utilisées pour le suivi de l’endommagement. Des essais de fatigue post-impact seront appliqués et une simulation numérique basée sur des modèles existants sera développée.

De nombreux procédés industriels émettent de grandes quantités de particules submicroniques aéroportées (PSA). Ces particules ont une taille inférieure à un micromètre, ce qui facilite leur pénétration dans l’organisme et peuvent s’avérer néfastes pour la santé des travailleurs. Afin de limiter leur exposition aux PSA, les vêtements de protection chimique (VPC) constituent le dernier rempart. Cependant, ils présentent de nombreuses lacunes au niveau de leur efficacité de filtration et donc de leur efficacité de protection.

Ce projet de recherche a pour objectif de développer de nouveaux textiles nanostructurés à haute performance de filtration contre les PSA et de les intégrer dans les VPC en tenant compte des aspects environnementaux et de développement durable. Pour répondre à cette problématique, l’électrofilage, une technologie novatrice, a été envisagé. Il consiste à former des fibres, de quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres, en projetant sur une surface une solution de polymères synthétiques ou biosourcés, tout en l’exposant à un champ électrique. Cela permet de fabriquer des membranes non tissées qui selon quelques études préliminaires ont une efficacité accrue de filtration des PSA. Cette efficacité dépend de nombreux paramètres de fabrication et du type de polymères utilisé. Cette étude paramétrique conduira à de nouvelles structures filtrantes tout en assurant une intégrité structurelle et une résistance à l’usure satisfaisante.

L’impression 3D désigne un ensemble de technologies permettant la conception de structures complexes par ajouts de matière, disposés couche par couche, avec une précision et un contrôle qui ne peuvent être obtenus par les techniques de fabrication traditionnelles. Elle est de plus en plus présente dans les milieux professionnels. Cependant, des études récentes ont montré que plusieurs types de contaminants néfastes pour la santé humaine comme les particules ultrafines (PUF) et les composés organiques volatils (COV) sont émis lors de certains processus d’impression.

Une veille documentaire récente menée par notre équipe de recherche a mis en évidence de très nombreux paramètres pouvant jouer un rôle majeur dans les émissions de PUF et de COV comme la température d’extrusion, le type de matériau imprimé (principalement des polymères thermoplastiques ou des résines photosensibles) ou encore les tâches pré- et post-impression.

Ne pouvant être éliminés du processus d’impression, nous sommes amenés à proposer des solutions pour réduire les émissions de PUF et de COV à la source et ainsi limiter l’exposition des utilisateurs et en particulier, ceux en milieu professionnel. L’objectif de mon projet de recherche est d’optimiser les paramètres d’utilisation d’une imprimante 3D afin de réduire les émissions de PUF et de COV tout en maintenant les propriétés physiques, mécaniques et les rendus de surface, les plus proches possibles, en matière de qualité, des exigences des fabricants.

Ces dernières années ont vu un développement important des membranes à matrice mixte (MMM) pour une myriade d'applications. Pour la séparation des gaz, on souhaite simultanément améliorer la perméabilité, la sélectivité et les propriétés physico-chimiques de la membrane. Pour aider à atteindre ces objectifs, la caractérisation expérimentale et les modèles prédictifs peuvent être utilisés en synergie. Dans ce travail, un algorithme de Monte-Carlo (MC) est proposé pour estimer rapidement et avec précision la perméabilité relative des MMM idéales sur une large gamme de conditions. La différence des coefficients de diffusivité entre la matrice du polymère et la particule intégrée permet d'ajuster la progression aléatoire des espèces migrantes à l'intérieur de chaque phase. Les coefficients de solubilité des deux phases sont utilisés pour contrôler la migration des molécules d'une phase à l'autre de manière à atteindre progressivement l'équilibre de phase à l'interface. Les résultats de diverses MMM ont été comparés aux résultats obtenus avec la méthode des différences finies sous des conditions identiques, où les résultats de la méthode des différences finies sont utilisés dans cette étude comme méthode de référence pour tester la précision de l'algorithme de Monte-Carlo. Les résultats se sont avérés très précis (en général < 1% d'erreur) sur une large gamme de caractéristiques du polymère et de la particule intégrée. L'algorithme de MC est simple et rapide à mettre en œuvre.

L’une des causes de la dégradation de notre environnement est la prolifération des déchets industriels parmi lesquels on peut citer les déchets de tissus de couture et de polystyrène.

Cette étude consiste à proposer une méthode de recyclage de ces déchets en élaborant des matériaux à base des déchets de tissus de couture et polystyrène expansé (PSE). Les tissus-pagnes à base de fibres synthétiques et le polystyrène expansé ont été sélectionnés, car ce sont les plus accessibles. Les échantillons ont été élaborés par  extrusion, compactage suivi de thermoformage, en faisant varier le taux de tissus et de PSE. Des essais ont été effectués pour déterminer les propriétés physiques et mécaniques des échantillons.  

Les résultats obtenus montrent que la masse volumique des échantillons diminue avec la variation du taux de résine PSE et de tissu. L’absorption diminue également de 5,12 % à 1,15 %  avec une augmentation de la teneur en résine PSE. Enfin, la résistance à la flexion trois points augmente de 3,23 MPa à 4,53 MPa  avec une variation du taux de la résine PSE allant de 60 à 80%. Cette étude a permis d’obtenir des matériaux avec des propriétés physiques et mécaniques intéressantes. Cette méthode de recyclage permet ainsi de valoriser ces déchets.

Mots clés : Déchets de tissu, polystyrène expansé, matériaux, résistance.