Le PRV (Polymères Renforcés de fibres de Verre) est un matériau composite constitué de :
- une matrice en résine polyester thermodurcissable
- un renfort en fibres continues de verre
La matrice en résine assure une résistance élevée à la corrosion, tandis que la fibre de verre confère une haute résistance mécanique, donnant au composite des caractéristiques chimiques et mécaniques adaptées à de nombreuses applications, de l’industrie au bâtiment et aux infrastructures.
RÉSINES THERMODURCISSABLES : LA MATRICE DU PRV
Les résines thermodurcissables sont une classe de polymères qui, une fois durcis par chauffage ou réaction chimique, forment une structure tridimensionnelle rigide et irréversible. Contrairement aux résines thermoplastiques, qui peuvent être refondues plusieurs fois, les résines thermodurcissables ne peuvent pas être remodelées après le processus de durcissement.
Les résines thermodurcissables sont constituées de monomères ou de prépolymères réactifs qui, en présence de chaleur, de catalyseurs ou d’agents de durcissement, forment des liaisons covalentes réticulées.
Les résines polyester naissent de la réaction (estérification) entre deux types de monomères : un polyacide et un polyalcool (glycol). La liaison ester (-COO-) se forme. La présence d’« insaturations » (doubles liaisons C=C) est essentielle pour le durcissement.
On obtient ainsi un polymère dissous dans un monomère réactif (généralement du styrène).
TYPES DE RÉSINES THERMODURCISSABLES UTILISÉES DANS LE PRV
Les principales résines polyester utilisées par M.M. dans la production de PRV sont :
- Résine orthophtalique
Standard et la plus courante, elle repose sur l’utilisation d’anhydride phtalique. Bon compromis entre coût et performances. - Résine isophtalique
Offre une meilleure résistance chimique que la résine orthophtalique. Elle utilise l’acide isophtalique comme composant acide. - Résine vinylester
Elle présente une structure chimique hybride entre résine époxy et polyester. C’est la plus résistante, idéale pour les environnements fortement corrosifs.
Classement des résines selon la résistance chimique :
VINYLESTER > ISOPHTALIQUE > ORTHOPHTALIQUE
Cette hiérarchie est directement liée à la vulnérabilité des liaisons ester. Les résines vinylester, qui en comportent moins et dont les liaisons sont protégées à l’intérieur de la chaîne principale, offrent une protection maximale, ce qui en fait le choix idéal pour les applications les plus sévères.
FIBRES DE VERRE : LE RENFORT DANS LE PRV
Les renforts de la matrice polymère sont généralement des fibres de verre. Les fibres de verre sont produites par un procédé de filage à partir de matières premières fondues (sable siliceux, calcaire, kaolin, etc.) à des températures élevées d’environ 1300-1500 °C.
Types de fibres de verre
- Verre E (« Electrical ») : c’est le type le plus répandu. Composé de silicates de calcium-aluminium-bore. Il offre de bonnes propriétés mécaniques et électriques à un coût contenu.
- Verre S (« Strength ») : caractérisé par une teneur élevée en silice et en alumine. Développé pour les applications exigeant une résistance à la traction, un module élastique et une résistance aux hautes températures supérieurs au verre E.
- Verre C (« Chemical ») : offre une excellente résistance à la corrosion chimique grâce à une forte teneur en oxyde de calcium et de bore. Spécifique aux environnements chimiques agressifs. Excellente résistance à la corrosion.
Les fibres de verre se présentent sous différentes formes, adaptées à divers procédés de production :
- Roving
Faisceaux de filaments continus, idéaux pour l’enroulement filamentaire (filament winding) et la pultrusion.- Mat
Couches de fibres orientées aléatoirement (chopped strand mat) ou orientées (stitched mat), souvent utilisées dans la stratification manuelle ou le RTM.- Tissus
Fibres tissées selon différentes armures (toile, sergé, satin) afin d’obtenir des propriétés mécaniques et directionnelles spécifiques.- Fibres coupées
Fibres de longueur définie, utilisées pour le moulage par injection ou le compoundage (mélange).
PROPRIÉTÉS DU PRV
Rapport résistance/poids élevé
Caractéristiques mécaniques du PRV
Caractéristiques thermiques du PRV
Comportement au feu
Résistance aux agents chimiques et environnementaux
Caractéristiques électriques du PRV
Comportement hygroscopique
Durabilité et vieillissement
RAPPORT RÉSISTANCE/POIDS ÉLEVÉ
L’une des qualités les plus importantes de PRV est l’excellent rapport entre résistance mécanique et poids spécifique. Grâce au renfort en fibres de verre, le matériau présente une résistance à la traction et à la flexion comparable à celle de certains métaux, tout en conservant une densité nettement inférieure. Cela permet de réaliser des structures légères mais robustes, avec des avantages significatifs en termes de facilité de manutention, de réduction des charges statiques et dynamiques, ainsi que de coûts de transport et de montage plus faibles.
Comparaison avec d’autres matériaux*
| Matériau | Résistance à la traction (MPa) | Densité (g/cm³) | Rapport σ/ρ (MPa·cm³/g) |
|---|---|---|---|
| Acier | ~500–800 | ~7,8 | ~64–103 |
| Aluminium | ~300–550 | ~2,7 | ~111–204 |
| PRV | ~400–1200 | ~1,5–2,0 | ~200–800 |
Caractéristiques mécaniques du PRV
La résistance mécanique du PRV dépend de l’effet combiné de la teneur et de l’orientation du renfort en fibres de verre, ainsi que du type de résine et de la précision des façonnages. A mesure que le renfort en fibres de verre augmente, la charge de rupture augmente, tant en traction qu’en flexion, tout comme la résistance aux chocs.
En ce qui concerne l’orientation des fibres, la résistance maximale est obtenue lorsque tous les fils sont disposés parallèlement les uns aux autres (disposition unidirectionnelle) ; si les fils sont disposés en mesure égale à angle droit les uns par rapport aux autres, la résistance est moindre mais encore considérable (disposition orthogonale) ; si les fils n’ont pas d’orientation préférentielle, la résistance est égale dans toutes les directions (disposition isotrope).
Plus la disposition des fibres est ordonnée, plus la teneur en verre pouvant être obtenue est élevée et, par conséquent, plus la résistance mécanique est grande.
Le PRV présente une bonne résistance au choc, grâce à la capacité des fibres à absorber l’énergie et à répartir les sollicitations. A la différence de l’acier, qui peut subir une déformation permanente (phase plastique), le PRV ne se déforme pas de façon permanente. Le PRV possède une bonne dureté superficielle et un comportement satisfaisant à l’usure abrasive, ce qui le rend adapté aux applications structurelles et aux composants soumis à un stress mécanique modéré. Le matériau présente également de bonnes caractéristiques de résistance à la fatigue, notamment lorsque les fibres sont orientées dans la direction des sollicitations cycliques.
Caractéristiques thermiques du PRV
Le PRV présente une faible conductivité thermique, généralement comprise entre 0,2 et 0,4 W/m·K, selon le pourcentage et l’orientation des fibres de verre. Cela en fait un excellent isolant thermique par rapport aux métaux et aux alliages (k = 36-54 W/m°C), raison pour laquelle il est utilisé dans les applications nécessitant une réduction de la transmission de chaleur.
Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CTE) est influencé par la teneur et l’orientation des fibres : il est plus faible dans la direction de ces dernières. La comparaison avec l’acier est significative : le coefficient de dilatation thermique linéaire du PRV est de 1,5×10⁻⁵/°C, contre 12×10⁻⁶/°C pour l’acier. Cela revêt une grande importance tant au stade de la conception que de la pose, notamment lors de la réalisation des jonctions.
La température de déflexion sous charge (HDT) du PRV varie en fonction du type de résine. Les caillebotis garantissent le maintien de leurs caractéristiques mécaniques en exposition continue à des températures allant jusqu’à 105 °C (résine vinylester).
Comportement au feu
Pour les composites en résine polyester, la matrice polymérique est la principale responsable de la réaction au feu, s’agissant d’un matériau organique et combustible. Les fibres de verre, étant inorganiques, ne brûlent pas, mais leur intégrité mécanique peut être compromise par les températures élevées. Le comportement au feu des composites en résine polyester peut être considérablement amélioré grâce à l’ajout de retardateurs de flamme. Ces additifs agissent selon différents mécanismes pour inhiber la combustion. M.M. utilise comme retardateur de flamme l’hydroxyde d’aluminium, qui se décompose à environ 180 °C, en absorbant une quantité importante de chaleur dans ce processus et en libérant de la vapeur d’eau. Outre son action ignifuge, il est très efficace comme suppresseur de fumée. Aucun halogène n’est utilisé.
Les caillebotis IFR de M.M. sont classés au niveau Bfl-s1 selon la norme EN 13501-1. Les caillebotis IFR ont également été évalués pour le paramètre de gouttage, qui décrit la perte de gouttes fondues de produit ou la production de particules incandescentes avant et après la combustion, obtenant le niveau d0, c’est-à-dire aucun gouttage.
Résistance aux agents chimiques et environnementaux
L’une des caractéristiques les plus avantageuses du PRV est sa haute résistance à la corrosion. Ce matériau est largement utilisé comme alternative à l’acier dans les environnements agressifs, tels que les installations chimiques et les infrastructures exposées à des conditions salines ou aux agents atmosphériques.
Dans le cas des métaux, la corrosion est un processus électrochimique par lequel le matériau tend à revenir à une forme plus stable (comme un oxyde). Les polymères ne « se corrodent » pas en ce sens, mais subissent un processus de dégradation chimique. Des agents tels que les acides, les bases, les solvants ou même l’eau peuvent attaquer les liaisons chimiques du polymère, en rompant les chaînes et en affaiblissant le matériau.
Dans les composites, le réseau dense de liaisons covalentes crée une structure très stable et compacte (réseau tridimensionnel). Pour un agent chimique agressif, pénétrer cette barrière et trouver un point faible à attaquer est extrêmement difficile. La nature même du réseau rend le matériau insoluble. Alors qu’un polymère non réticulé peut être « dissous » par un solvant adapté, un thermodurcissable peut tout au plus subir un léger gonflement, mais ne se dissoudra pas.
Caractéristiques électriques du PRV
Les produits en PRV possèdent des caractéristiques diélectriques qui en font d’excellents isolants électriques.
Les essais de résistivité et de résistance électrique superficielle (Rs) et transversale (Rt), de résistivité et de résistance électrique de sécurité par rapport à la terre (modèle corps humain), et de rigidité diélectrique sous tension nominale ont mis en évidence une résistivité supérieure à 200 MΩ et une absorption de courant d’environ 300 μA : le matériau peut donc être considéré comme un excellent isolant, conforme aux normes de sécurité.
Comportement hygroscopique
Le PRV possède une capacité d’absorption d’eau modérée, influencée principalement par la nature hygroscopique de la matrice polymérique. L’absorption d’eau peut varier entre 0,1 % et 1,0 % en poids, selon les conditions environnementales et le type de résine, influençant certaines propriétés mécaniques au fil du temps.
Durabilité et vieillissement
Le PRV présente une bonne durabilité dans le temps, en conservant ses propriétés physiques et mécaniques même après plusieurs années d’exposition. Des additifs stabilisants ou des revêtements protecteurs peuvent être ajoutés pour améliorer la stabilité chromatique en cas d’exposition aux rayons UV.
QUELLES TECHNOLOGIES DE PRODUCTION M.M. UTILISE-T-ELLE ?
Caillebotis en PRV : le processus de production
La production de caillebotis en PRV de M.M. s’effectue selon deux technologies principales :
- RTM (Resin Transfer Moulding), c’est-à-dire moulage par injection
- HLU (Hand Lay Up)
Dans les deux cas, le processus repose sur la mise en place de fibres de verre en roving à l’intérieur d’un moule. La fibre est disposée pour former une trame, en superposant plusieurs couches :
- dans la technologie RTM, la fibre est posée à sec
- dans la technologie HLU, elle est déjà imprégnée de résine
Une fois la mise en place terminée :
- dans la production RTM, on procède à l’injection de la résine à l’intérieur du moule.
L’injection doit être lente et contrôlée afin de garantir l’imprégnation complète des fibres ;- dans la production HLU, on procède à la coulée de résine qui remplit le moule.
Le caillebotis finie est constituée d’un réseau monolithique de poutres. Les poutres sont orthogonales entre elles et présentent la même résistance mécanique.
PROFILÉS EN PRV : LA TECHNOLOGIE DE LA PULTRUSION
La production des profilés en PRV repose sur une technologie industrielle appelée pultrusion (de pull + extrusion), c’est-à-dire un procédé d’extrusion par traction..
Cette technologie permet d’obtenir en continu des produits composites, même avec un pourcentage élevé de renfort, dans des formes à section constante, simple ou complexe.
Le processus de pultrusion:
- les fibres de verre sont tirées par un système mécanique à travers un bain d’imprégnation, où elles absorbent la résine thermodurcissable ;
- les fibres imprégnées sont tirées à l’intérieur d’un moule chauffé, où a lieu la polymérisation ;
- la forme finale est donnée dans la filière profilée du moule ;
- le composant sort solidifié, sans subir de poussée, mais grâce à la traction continue appliquée.
COMPARAISON ENTRE CAILLEBOTIS MÉTALLIQUES ET CAILLEBOTIS/STRUCTURES EN PRV
Les caillebotis métalliques, tout comme les différentes structures en acier, sont probablement la typologie la plus connue. Utilisées depuis toujours, surtout parce qu’elles garantissent un faible investissement initial, les caillebotis et structures métalliques présentent certains aspects négatifs que l’on ne retrouve pas dans les produits équivalents en composite surtout lorsque l’on considère l’ensemble de leur cycle de vie.
COMBIEN COÛTE PRV PAR RAPPORT AU MÉTAL ?
Contrairement aux caillebotis et structures en PRV, les produits métalliques entraînent en effet :
- coût élevé de découpe/façonnage
- coût élevé d’installation
- coût de maintenance lié à la faible résistance chimique et aux agents atmosphériques
- coût de transport plus élevé lié au poids supérieur du matériau
- coût plus élevé de mise à la terre lorsqu’elle est nécessaire en raison du risque d’électrocution
- coût environnemental lié au possible relargage de substances dangereuses.
- coût lié à la sécurité, car ils ne disposent pas d’une surface antidérapante
