Optimisation de formulations de mousses de polyuréthane pour des applications en génie civil

Meyer-Bisch, Baptiste (2018). Optimisation de formulations de mousses de polyuréthane pour des applications en génie civil. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La mousse de polyuréthane est un matériau alvéolaire actuellement utilisé sous forme de panneaux isolants en génie civil pour sa légèreté et ses bonnes propriétés thermiques mais aussi mécaniques. Ce marché étant en croissance constante, l’amélioration des produits et des procédés représente un enjeu important pour les manufacturiers.

Ce projet de recherche avait pour objectif, dans un premier temps, de créer et de valider une procédure complète pour la fabrication en laboratoire d’échantillons aux memes caractéristiques que les panneaux d’isolation produits en usine. Dans un deuxième temps, grâce à cette procédure, l’influence du surfactant sur les performances du produit final a été étudiée et quantifiée. Cette technique de laboratoire a donc pour but d’aider à l’amélioration de produits existants mais aidera également à la résolution de certains problèmes rencontrés sur la ligne de production continue.

Lors du développement de la méthode de fabrication en laboratoire, une première méthode de fabrication à l’aide d’un mélangeur magnétique a été testée. Mais cette méthode ne permettait pas un mélange satisfaisant des composants. La qualité du mélange a donc été améliorée grâce à la mise en oeuvre d’une deuxième procédure reposant sur un mélange à plus grande vitesse dans un bécher en dessous du moule. La méthode de gonflement n’a cependant pas permis une orientation des cellules similaire à ce qui est observé dans les panneaux d’usines. Pour résoudre ce problème, une troisième méthode, basée sur l’utilisation de pompes péristaltiques et d’un mélangeur statique, permettait la dépose de la mousse en une ligne dans le moule et l’obtention de la bonne orientation des cellules. La difficulté de cette technique résidait alors dans l’obtention d’un mélange homogène des composants. La mise en oeuvre d’une quatrième stratégie de fabrication avec le versement de la mousse dans le moule à partir d’un bécher dans lequel le mélange est réalisé a permis l’obtention d’un mélange homogène des composants et d’une orientation des cellules correspondant à ce qui est observé dans les panneaux d’usine. Cette stratégie permet un bon contrôle des quantités de produits et d’obtenir des échantillons de la taille souhaitée et, visuellement, de qualité satisfaisante.

Cette procédure de laboratoire a été validée à l’aide de trois critères du produit fini : la masse volumique, la résistance en compression et la résistance en traction. Les résultats issus de ces tests ont montré que les échantillons fabriqués possédaient les caractéristiques requises par la norme. Une analyse de variance a également démontré la répétabilité des résultats obtenus.

Suite à cette validation de la procédure de fabrication en laboratoire, des échantillons comportant des quantités différentes de surfactant ont été préparés à l’aide de cette procédure. Ils ont été caractérisés en termes de masse volumique et de résistance en compression, traction et thermique. Les mesures de masse volumique ont montré une nette évolution en fonction de la quantité de surfactant utilisée dans notre produit, en accord avec la littérature. Les résultats de résistance thermique n’ont pas montré d’évolution en fonction de la quantité de surfactant, en accord avec la littérature pour les quantités utilisées. Les résultats de résistance en compression semblent différer de ce qui est rapporté dans la littérature mais d’autres essais requis pour confirmer ces conclusions. Les résultats de résistance en traction n’ont pas montré d’évolution en fonction de la concentration en surfactant, ce qui est attribué au fait que la rupture se produit dans le parement.

Les résultats obtenus valident ainsi la procédure mise en place et permettent une première etude des effets du surfactant sur le produit fini. Cependant, les résultats liés au surfactant doivent être validés en répétant ces expériences mais aussi complétés par d’autres expériences dans le but d’obtenir un comportement plus précis de la mousse de polyuréthane en fonction de la quantité de surfactant utilisée.

Titre traduit

Optimization of polyurethane foam formulations for civil engineering

Résumé traduit

Polyurethane foam is an alveolar material that is light weight and has good mechanical and thermal properties. It is currently used in isolating panels for civil engineering applications. As this market is constantly growing, improving products and processes is an important issue for manufacturers.

The first step of this research project was to create and validate a complete procedure in order to manufacture laboratory samples with the same properties as factory-produced insulation panels. The second step was to study and quantify the influence of surfactant on the specifications of the final product, using the fabrication procedure developed. The goal of this laboratory method is therefore to help improving current products but also solving some problems encountered on the production line.

During the development of the laboratory method, a first fabrication technique, involving the use of a magnetic mixer, was tested. But this method did not allow a satisfactory mixture of the components. The mixture quality was then improved through a second laboratory procedure, based on mixing at a higher speed in a beaker positioned below the mold. Nevertheless, the foaming method did not produce a cellular orientation similar to the one observed for the insulation panels manufactured in the production line. To solve this problem, a third method, based on the use of peristaltic pumps and a static mixer, allowed to lay a line of foam in the mold and obtain the required cells orientation. The challenge of this technique was to obtain a homogeneous mixture of the components. The implementation of a fourth manufacturing method, which involves pouring the foam into the mold from a beaker in which the components were mixed, allowed obtaining a homogeneous mixture of the components and a good orientation of the cells, as in the factory-produced insulation panels. This technic permits a good control of the quantities of products and produces samples of the desired size and satisfactory quality to the naked eye.

This procedure was validated according to three requirements for the final product: density, in compressive and tensile strength. The results from these tests show that the laboratory produced samples had the required characteristics according to the standard requirements. An analysis of variance also proved the repeatability of these results.

After the validation of the laboratory procedure, samples with different amounts of surfactant were prepared using this procedure. They have been characterized in terms of density, compressive and tensile strength, and thermal resistance. The density data showed a clear evolution as a function of amount of surfactant used in the product, in agreement with the literature. Thermal resistance results did not display any evolution as a function of the amount of surfactant within the tested range, in agreement with the literature. The compressive strength results appear to show a different trend compared to what is reported in the literature but additional tests are required to confirm these conclusions. The tensile strength results showed no change as a function of surfactant concentration.

These results in this study confirm the validity of laboratory procedure and provide a first analysis of the effect of surfactant concentration on the finished product. However the results related to surfactant concentrations must be confirmed with additional experiments in order to obtain a more precise view of the behavior of polyurethane foam as a function of the amount of surfactant used.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 119-123).
Mots-clés libres:	mousse de polyuréthane, procédure de fabrication, surfactant, résistance mécanique, résistance thermique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse David, Éric
Codirecteur:	Codirecteur Dolez, Patricia I.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	11 févr. 2025 20:37
Dernière modification:	11 févr. 2025 20:37
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2041

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