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Matériaux composites à base de polyéthylène téréphtalate recyclé et polyéthylène naphtalate pour des applications électriques

Mebarki, Fouzia (2017). Matériaux composites à base de polyéthylène téréphtalate recyclé et polyéthylène naphtalate pour des applications électriques. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

De nos jours, le développement de composites à base de matériaux recyclés est devenu une préoccupation majeure pour les différents secteurs de l’industrie. Notre travail vise principalement à évaluer la fiabilité des composites à base de matrice thermoplastique recycle destinés à des applications impliquant certaines propriétés diélectriques comme le support mécanique des systèmes d’allumage dans les moteurs à combustion interne. Nous nous intéressons plus particulièrement aux composites à base du Polyéthylène Téréphtalate recycle (PET). Le Polyéthylène Naphthalate (PEN) est un polyester relativement proche du PET car il possède de meilleures caractéristiques particulièrement au niveau de la résistance thermique. Ce thermoplastique sera utilisé à des fins de comparaison avec le PET recyclé ainsi que pour vérifier la possibilité de faire des mélanges ayant des propriétés améliorées qui pourront possiblement être utilisés pour la fabrication des supports mécaniques du système d’allumage dans les moteurs d’automobile.

Le présent travail consiste à caractériser les propriétés diélectriques des matériaux composites à base de résine de PET recyclé et de PEN, et plus particulièrement au niveau de l’endurance aux contraintes électriques et thermiques et de la réponse diélectrique. Le projet se divise principalement en deux tâches principales.

La première tâche concerne l’analyse des mécanismes de défaillance qui impliquera la préparation des échantillons et l’observation microscopique grâce au microscope optique (MO) et au microscope électronique à balayage (MEB). Des mesures de rigidité diélectrique ont été effectuées selon la norme ASTM-D149 et les données ont été traitées statistiquement en utilisant la fonction de la distribution de Weibull à deux paramètres. Des tests de vieillissement thermique ont été également élaborés afin d’estimer l’endurance thermique des deux polymères et leurs différents composites. À partir des résultats de vieillissements électrothermiques accélérés, la durée de vie des composantes dans les conditions de service pourrait être estimée.

La deuxième tâche consiste à analyser l'état de l'interface matrice-renforts. La présence (ou l’absence) de mécanismes de relaxation interfaciale permettra d’investiguer l’état de l’interface matrice-renforts. Ce volet est moins relié aux besoins industriels du projet mais permettra d’établir l’impact des différents renforts (fibre de verre et mica) sur la réponse diélectrique du matériau soit au niveau de la permittivité réelle ou au niveau des pertes diélectriques. Cette connaissance est d’une grande importance afin d’évaluer la fiabilité électrique des différents matériaux puisque les mécanismes de rupture sont généralement contrôlés par les interfaces polymère/renforts. Des mesures de relaxation diélectrique ont été effectuées dans un intervalle de température allant de la température ambiante à des températures au-delà de la transition vitreuse et sur une large bande de fréquence allant de 10-2 à 105Hz. La permittivité effective de différents composites a été également modélisée et différents modèles suggérés dans la littérature ont été confrontés aux résultats obtenus.

Titre traduit

Composite materials based on recycled polyethylene terephthalate and polyethylene naphthalate for electrical applications

Résumé traduit

Nowadays, the development of composites based on recycled materials has become a major concern of different industry sectors. Our work mainly aims to assess the reliability of composites based on thermoplastic matrix for electric applications such as the mechanical support for the HV terminal system of internal combustion engines. We are particularly interested by polymer composites based on recycled Polyethylene Terephthalate (PET). The Polyethylene Naphthalate (PEN) is relatively close polyester to PET since it owns a significant performance in particular in thermal endurance. It will be mainly used for comparison proposes with the recycled PET and to check the possibility to mix them together to form blend composites with improved properties that can be used in automotive engines.

The proposed work is to characterize the dielectric properties of composite materials made with recycled PET and PEN resins, particularly in terms of the electrical and thermal stress endurance as well as the dielectric response. This project is mainly divided into two major tasks:

The first one is to analyse the failure mechanisms that require the preparation of specimens and microscopic observation using both optical (OM) and scanning electronic microscopy (SEM). Dielectric breakdown measurements were performed at temperature in thoroughly degassed oil using high voltage source as per ASTM-D149 and the obtained data was statistically analyzed using the two-parameter Weibull distribution function. Thermal aging tests were also carried out in order to evaluate the dielectric endurance of the different composites. Using accelerated electro-thermal aging, lifetime components may be estimated.

The second task consists of analyzing the state of the matrix-reinforcement interface. The presence (or absence) of interfacial relaxation mechanisms will allow to investigate the state of the matrix-reinforcement interface. This knowledge is of great importance to assess the electrical reliability of the different materials since the failure mechanisms are usually controlled by the polymer /reinforcements interface. This part is less linked to industrial needs but may help to establish the different reinforcements impact (glass fibers and mica) on materials complex permittivity. Dielectric relaxation measurements were carried out at a large temperature window from the room temperature to temperatures below the glass transition and in the frequency domain from 10-2 to 105 Hz. The effective permittivity of the different composites was modeled and different models suggested in the literature are compared with the obtained results.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 171-182.
Mots-clés libres: Composites thermoplastiques Propriétés électriques. Diélectriques. Polyéthylène téréphtalate Recyclage. Analyse des défaillances (Ingénierie) Essais accélérés (Technologie) Contraintes thermiques. Relaxation diélectrique. contrainte, électrique, électrothermique, inorganique, naphtalate, polyethylene, renfort, propriétés diélectriques, vieillissement thermique, endurance, rigidité diélectrique, PET recyclé, PEN, composites
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
David, Éric
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 10 nov. 2017 20:33
Dernière modification: 10 nov. 2017 20:33
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1955

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