Résumé de la thèse :
Les matériaux composites thermoplastiques représentent une voie prometteuse pour développer des structures plus légères, réparables et recyclables. Leur fabrication reste toutefois limitée par la forte viscosité des matrices à l'état fondu, qui rend difficile l'imprégnation homogène de renforts fibreux continus. Dans un contexte de réduction de l'impact environnemental des matériaux, cette thèse explore une stratégie originale consistant à valoriser du polyéthylène téréphtalate recyclé (rPET), issu de déchets post-consommation, comme matrice de tapes thermoplastiques élaborés par voie solvant.
Les travaux présentés s'appuient sur un procédé de dissolution-précipitation permettant de dissoudre le PET dans un solvant adapté, d'imprégner un renfort fibreux avec la solution obtenue, puis de précipiter le polymère directement au sein du renfort à l'aide d'un non-solvant. Cette approche vise à limiter les étapes de transformation à haute température tout en facilitant la pénétration de la matrice dans les structures fibreuses. Les verrous scientifiques associés ont été abordés à différentes échelles : celle du polymère récupéré, celle de la solution d'imprégnation, celle du renfort fibreux et enfin celle du procédé continu.
Dans un premier temps, la récupération du PET par voie solvant a été étudiée. Les paramètres de solubilité de Hansen et les mécanismes de séparation de phase inspirés des procédés de fabrication de membranes ont permis de sélectionner et de comparer différents couples solvant/non-solvant. Les caractérisations thermiques, chimiques, morphologiques et rhéologiques ont conduit à retenir le système Hexafluoroisopropanol(HFIP)/éthanol, qui permet une dissolution du PET à température ambiante tout en préservant ses propriétés principales. Dans un second temps, les mécanismes d'imprégnation ont été analysés à partir des propriétés physico-chimiques des solutions HFIP/PET avec différentes concentration de PET. La densité, la viscosité et la tension de surface ont été reliées aux cinétiques de montée capillaire dans des renforts de fibres de carbone, utilisés comme système modèle. Ces résultats ont permis de définir une formulation adaptée, puis de concevoir et d'optimiser une ligne pilote d'imprégnation continue pour fabriquer des tapes carbone/rPET. Enfin, le procédé, initialement validé avec des renforts en carbone, a été transposé à des renforts biosourcés en fibres de lin. Les propriétés de surface des fibres, du PET et des solutions ont été caractérisées afin de comprendre les interactions interfaciales gouvernant le mouillage et l'imprégnation. Deux architectures de lin ont été comparées, montrant l'influence déterminante de la géométrie du renfort sur la morphologie des tapes et les propriétés mécaniques des composites consolidés. La circularité du procédé a également été évaluée par plusieurs cycles de fabrication, redissolution de la matrice PET et récupération des fibres de lin. Les analyses réalisées montrent que les fibres récupérées conservent leurs propriétés après plusieurs cycles, démontrant le potentiel d'un procédé réversible associant matrice recyclée, renfort biosourcé et stratégie de fin de vie produit intégrée.
Abstract :
Thermoplastic composite materials are a promising route for the development of lighter, repairable and recyclable structures. However, their manufacturing remains limited by the high viscosity of polymer matrices in the molten state, which makes the homogeneous impregnation of continuous fiber reinforcements difficult. In a context where reducing the environmental impact of materials has become a major challenge, this thesis explores an original strategy based on the valorization of recycled polyethylene terephthalate (rPET), obtained from post-consumer waste, as a matrix for thermoplastic tapes manufactured through a solvent-based process.
The work presented in this thesis relies on a dissolution-precipitation process in which PET is dissolved in a suitable solvent, the resulting polymer solution is used to impregnate a fibrous reinforcement, and the polymer is then precipitated directly within the reinforcement thanks to a non-solvent. This approach aims to reduce high-temperature processing steps while facilitating matrix penetration into fibrous structures. The associated scientific challenges were addressed at different scales: the recovered polymer, the impregnation solution, the fibrous reinforcement and, finally, the continuous manufacturing process.
First, PET recovery by a solvent-based route was investigated. Hansen solubility parameters and phase separation mechanisms inspired by membrane fabrication processes were used to select and compare different solvent/non-solvent systems. Thermal, chemical, morphological and rheological characterizations led to the selection of the Hexafluoroisopropanol(HFIP)/ethanol system, which enables PET dissolution at room temperature while preserving its main properties. Second, the impregnation mechanisms were analyzed through the physico-chemical properties of HFIP/PET solutions. Density, viscosity and surface tension were related to capillary wicking kinetics in carbon fiber reinforcements, used as a model system. These results made it possible to define a suitable formulation and then to design and optimize a continuous pilot impregnation line for the manufacture of carbon/rPET tapes. Finally, the process, validated with carbon fibers, was transposed to bio-based flax fiber reinforcements. The surface properties of the fibers, PET and impregnation solutions were characterized in order to understand the interfacial interactions governing wetting and impregnation. Two flax architectures were compared, highlighting the key influence of reinforcement geometry on tape morphology and the mechanical properties of consolidated composites. The circularity of the process was also assessed through several cycles of manufacturing, PET matrix redissolution and flax fiber recovery. The analyses showed that the recovered fibers retain their properties after several cycles, demonstrating the potential of a reversible process combining a recycled matrix, a bio-based reinforcement and an integrated end-of-life strategy.