L’objet de cette communication est d’analyser les propriétés mécaniques de composites unidirectionnels verre/polyester obtenus par deux procédés différents de polymérisation : un procédé conventionnel thermique et un procédé photochimique. Les propriétés mécaniques de surface ont été étudiées par micro-indentation afin d’observer l’influence des conditions d’élaboration sur la réponse du composite à une pénétration. Il apparait que la dureté d’indentation HIT et le taux de conversion de la résine ne sont pas suffisants pour discriminer les échantillons. Les propriétés d’élasticité et de fluage sont également nécessaires pour comparer et comprendre le comportement des différents composites. Le procédé de photopolymérisation de la résine améliore les propriétés mécaniques du composite ainsi élaboré

Giljean, S. (Sylvain)

Hasiaoui, B.

Ibrahim, A. (Ahmad)

L'hostis, G. (Gildas)

Marsiquet, C. (Cyril)

Pac, M. (Marie-Jose)

univOAK

23ème Congrès Français de Mécanique                              Lille, 28 Août au 1er Septembre 2017 
 
 
 
Influence du mode de polymérisation de composites 
verre/polyester sur leur comportement mécanique 
 
S. GILJEANa, M.-J. PACa, C. MARSIQUETa, B. HASIAOUIa,  
A. IBRAHIMb, G. L’HOSTISa 
 
a. Université de Haute-Alsace, Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles (LPMT), 11 
rue Alfred Werner 68093 Mulhouse – sylvain.giljean@uha.fr 
b. Université de Haute-Alsace, Laboratoire de Photochimie et d’Ingénierie 
Macromoléculaires (LPIM), 3bis rue Alfred Werner, 68100 Mulhouse 
 
Résumé :  
 
L’objet de cette communication est d’analyser les propriétés mécaniques de composites 
unidirectionnels verre/polyester obtenus par deux procédés différents de polymérisation : un procédé 
conventionnel thermique et un procédé photochimique. Les propriétés mécaniques de surface ont été 
étudiées par micro-indentation afin d’observer l’influence des conditions d’élaboration sur la réponse 
du composite à une pénétration. Il apparait que la dureté d’indentation HIT et le taux de conversion de 
la résine ne sont pas suffisants pour discriminer les échantillons. Les propriétés d’élasticité et de 
fluage sont également nécessaires pour comparer et comprendre le comportement des différents 
composites. Le procédé de photopolymérisation de la résine améliore les propriétés mécaniques du 
composite ainsi élaboré. 
 
Abstract : 
 
This paper aims to analyze the mechanical properties of unidirectional glass / polyester composites 
manufactured by two different processes: a conventional thermal polymerization and a photochemical 
process. The mechanical surface properties were studied by micro-indentation in order to observe the 
influence of the elaboration conditions on the response of the composite to penetration. It was 
demonstrated that the indentation hardness HIT and the degree of conversion are not sufficient to 
discriminate the samples. The elasticity and creep properties are also necessary to understand the 
behavior of the various composites. The photochemical resin improves the mechanical properties of 
the composite. 
 
 
Mots clefs : composite photopolymérisable, indentation, dureté, fluage 
 
1 Introduction  
 
L’utilisation de résines photochimiques pour la réalisation de composites, s’est heurtée, pendant 
plusieurs années, à différents problèmes liés au procédé de fabrication. Evidemment, la dangerosité du 
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rayonnement lumineux ultraviolet (UV) était un problème, mais la difficulté de contrôler le flux 
lumineux et de ce fait sa pénétration dans le composite ne permettait pas de gérer correctement le 
degré d’avancement de la polymérisation. C’est pourquoi, bien que prometteuse pour la réduction du 
temps de fabrication de composites structuraux, plusieurs travaux ont estimé que la technologie UV 
n’était pas assez mature. Dernièrement, les avancées technologiques qui utilisent de plus en plus 
intensivement des systèmes de dépose robotisée de renforts et l’apparition des lampes UV LED en 
remplacement des lampes à mercure ont remis cette technologie en avant. Elle a été adaptée aux 
résines thermodurcissables et thermoplastiques utilisées dans différents types de procédés de 
fabrication comme la dépose de renforts, l’enroulement filamentaire, l’infusion... Le développement 
de chimies particulières a également permis de passer l’obstacle lié à l’utilisation de renforts opaques.  
L’amélioration des propriétés mécaniques du composite a déjà été observée par un pré-traitement 
chimique des fibres afin d’améliorer l’adhésion fibre-matrice [1], par l’ajout de charges dans la 
matrice [2,3] ou par l’optimisation du degré de conversion de la résine [4]. Dans cette étude, 
l’influence du mode de polymérisation de la résine sur les propriétés mécaniques est étudiée. Deux 
procédés différents de polymérisation, un procédé conventionnel de polymérisation thermique et un 
procédé photochimique, et plusieurs protocoles d’élaboration sont mis en œuvre. Les propriétés 
mécaniques de chaque composite sont étudiés par micro-indentation afin de déterminer les valeurs de 
dureté HIT, module d’indentation M et coefficient de fluage CIT. Les résultats sont interprétés en 
fonction du protocole utilisé durant l’élaboration. 
 
2 Matériaux et méthodes 
2.1 Préparation des échantillons 
 
Une matrice en résine polyester insaturée (Nuvopol 1503, Mäder A&A) diluée dans 40% de styrène a 
été utilisée pour la fabrication des composites. Il s’agit de la résine thermodurcissable la plus 
couramment utilisée en raison de son faible coût et de sa facilité à mettre en œuvre. Deux types 
d’amorceur ont été utilisés : un amorceur thermique et un amorceur photosensible. L’amorceur 
thermique était un mélange de 0,1 %m de sel de cobalt (fournisseur Sigma-Aldrich) (Cobalt(II) 2-
ethylhexanoate, 6% Co dans solvants) et de 1 %m de Peroxane ME-60L (PERGAN Gmbh). Le photo-
amorceur était composé de 3 %m d’oxyde triphenylphosphine (fournisseur BASF). L’irradiation a été 
effectuée avec une lampe LED de type FireJet FJ200 (fournisseur Phoseon) avec une longueur d’onde 
de 395 nm.  
Pour la fabrication des composites, des fibres de verre unidirectionnelles (420 g/m2) (fournisseur 
Hexcel), adaptées à la résine de polyester thermodurcissable, ont été utilisées. La fabrication des 
composites a été faite couche par couche avec une même quantité pré-pesée de résine pour chacune 
des couches. Après imprégnation de la couche et une évacuation, à l’aide d’un rouleau, des bulles d’air 
piégées dans le renfort fibreux, un temps de pause de 1 à 2 minutes a été laissé avant le dépôt de la 
couche suivante. L'ensemble du processus a été répété sur six couches et le compactage final de 
l’ensemble des couches a été effectué en appliquant un vide de 1 bar. 
Dans cette étude, 5 plaques composites (P1 à P5) et une résine photopolymérisée sans renfort ont été 
étudiées (tableau 1). Pour les plaques composites thermiques (P1 et P2), le vide a été appliqué pendant 
180 min. De plus, une étape de post-durcissement à 65 °C pendant 12 heures a été appliquée à la 
plaque P2. Pour la photopolymérisation, la dose lumineuse appliquée était de 25 mJ/mm2 avec une 
puissance surfacique lumineuse de 1250 mW/cm2. Le temps de vide a été fixé à 20 minutes pour P3 et 
P5 et 180 min pour P4. Les fibres de verre du renfort de P5 ont été pré-imprégnées pendant 60 min.  
 
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Numéro Conditions d’élaboration 
P1 Plaque thermopolymérisée + vide 180 min 
P2 Plaque thermopolymérisée + vide 180 min + post cuisson (65°C, 12h) 
P3 Plaque photopolymérisée + vide 20 min 
P4 Plaque photopolymérisée + vide 180 min 
P5 Plaque photopolymérisée avec pré-imprégnation du renfort pendant 60 min + vide 20 min  
Tableau 1 : Paramètres de préparation des composites. 
 
2.2 Caractérisation des échantillons 
 
Le taux de conversion (TC) de résine a été mesuré par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) 
selon la norme NF EN ISO 11357-5 dans la gamme de température 25 à 400 °C avec une vitesse de 
chauffe de 10 °C/min. Les essais d’indentation ont été réalisés sur un micro-combi tester de marque 
CSM (Anton-Paar) avec un indenteur Berkovich calibré. Les essais ont été réalisés sur les faces 
inférieure et supérieure (fig. 1) à une charge 
maximale Fm de 500 mN. Le temps rapide de 
charge et décharge de 2s a été choisi de manière à 
obtenir une information sur le fluage des 
composites lors du maintien de la charge maximale 
pendant 120 s. Pour chaque référence, au moins 10 
mesures ont été effectuées. Dans un deuxième 
temps, des essais ont été réalisés sur la section 
transversale des plaques afin de mesurer les 
grandeurs mécaniques dans la fibre et dans la 
résine. Le protocole d’indentation a été identique, 
seule la charge Fm a été diminuée à 50 mN compte 
tenue de la faible distance entre les fibres. 
 
3 Résultats et discussion 
 
Le TC de la résine polyester des différents composites est résumé dans le tableau 2. Une courbe 
d’indentation typique obtenue sur le composite P4 est tracée en figure 2. Le module d’indentation et la 
dureté sont calculés à partir du modèle d’Oliver & Pharr [5] avec Er le module réduit (tenant compte 
des propriétés du matériau et de l’indenteur), υi et Ei le coefficient de poisson et le module d’Young de 
l’indenteur et Ap l’aire de contact projetée. Les 2 profondeurs h1 et h2 représentent respectivement la 
profondeur lorsque Fm est atteinte et la profondeur maximale après le maintien de Fm pendant 120 s. 
Le coefficient de fluage CIT est alors défini conformément à la norme ISO 14577. 
 
 P1 P2 Résine seule P3 P4 P5 
Face supérieure 86 ± 2 98 ± 2 95 ± 2 85 ± 3 93 ± 3 95 ± 1 
Face inférieure 85 ± 1 99 ± 1 94 ± 1 76 ± 2 91 ± 2 92 ± 2 
Tableau 2 : taux de conversion de la résine polyester. 
 
UV Face 
supérieure 
Face inférieure 
Section 
Figure 1 : plaque de composite, dimension 
30 x 10 x 2,3 mm3 
 
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Figure 2 : courbe d’indentation typique obtenue sur le composite P4; définition des grandeurs 
mécaniques de l’étude.  
 
  
 
Figure 3 : (a) Module d’indentation (GPa), (b) Dureté HIT (MPa), (c) Coefficient de fluage CIT. 
 
Les résultats des mesures d’indentation pour les 5 plaques de composite et la résine photopolymérisée 
seule sont tracés sur la figure 3. Pour les 2 plaques P1 et P2, thermo-polymérisées, les valeurs de 
module d’indentation sont comparables et une amélioration de la dureté de 10% est obtenue pour P2. 
Ceci s’explique par un TC de la plaque P2 supérieur à P1. Le coefficient de fluage plus faible de P2, 
en accord avec les observations précédentes, confirme que la résine thermochimique mieux réticulée 
de P2 conduit à une meilleure dureté et une viscosité plus faible.  
Le comportement de la résine photopolymérisée sans renfort est comparable aux composites 
photopolymérisés en termes de dureté et de fluage (sauf P4 dont le comportement particulier est 
détaillé ci-dessous). Les profondeurs maximales atteintes durant les essais d’indentation, quelle que 
soit la plaque ou la résine, sont de l’ordre de 12 µm. Le champ de déformation plastique reste confiné 
entre la face et la couche de renfort la plus proche et justifie ce résultat.  
L’ajout du renfort est bénéfique sur les propriétés d’élasticité avec une hausse du module d’indentation 
sur les composites P3, P4 et P5 par rapport à la résine seule. Une différence du comportement 
h1           h2 
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mécanique des composites photopolymérisés est observée entre les faces inférieures et les faces 
supérieures. La différence est très marquée sur le composite P4 avec une différence de 70% sur la 
valeur de M et 60% sur HIT. Cette différence ne peut pas s’expliquer par une variation du TC entre les 
faces étant donné qu’il n’y a pas d’écarts entre les faces du composite P4 alors que la faible différence 
de dureté entre les faces du composite P3 est en désaccord avec les valeurs du TC. Pour un polymère 
photopolymérisé, une énergie lumineuse élevée peut conduire à un excellent TC mais peut également 
engendrer une contraction de la résine et le piégeage de vide néfaste aux propriétés mécaniques [4]. Le 
TC n’est pas un paramètre suffisant pour discriminer les propriétés mécaniques des composites. La 
densité de réticulation du réseau polymère formé est également à prendre en considération. En effet, 
elle dépend de l’étape d’initiation de la réaction de photopolymérisation [4] et en partie de 
l’irradiation. L’énergie absorbée engendre une réticulation favorable de la face inférieure du 
composite P4. En revanche, la polymérisation des faces supérieures a lieu dans des conditions plus 
sévères avec une intensité d’irradiation plus importante qui conduit à une vitesse de polymérisation 
élevée. 
Si maintenant, on compare les composites photopolymérisés entre eux, P4 présente des meilleures 
propriétés Hit, M et CIT comparé aux composites P3 et P5. Le temps de 180 minutes sous vide  
permet de mieux compacter le composite avant réticulation, ce qui conduit par la suite à une meilleure 
diffusion de la lumière jusqu’à la couche inférieure. L’augmentation du temps d’imprégnation entre le 
composite P5 par rapport au composite P3 permet un meilleur mouillage du renfort favorable à 
l’adhésion fibre-matrice et à l’augmentation des propriétés mécaniques. Ce résultat a été observé sur 
des tests mécaniques macroscopiques (traction et flexion, résultats non montrés ici) mais pas en micro-
indentation. Ceci s’explique à nouveau par le confinement du champ de déformation plastique dans la 
résine entre la face et le renfort lors des essais de micro-indentation, ce qui montre un effet d’échelle 
de l’essai.  
Les composites présentant les meilleures propriétés mécaniques par thermopolymértisation P2, et 
photopolymérisation P4, ont également été testés suivant leur section transverse. Les résultats de 
dureté sur la section, entre les fibres et sur les fibres sont donnés dans la figure 4.  
 
 
Figure 4 : résultats d’indentation sur la section transverse. 
 
La valeur de dureté des fibres est identique entre les 2 composites autour de 4700 MPa,  de l’ordre de 
20 fois supérieure aux valeurs de la résine. Pour la résine entre les fibres, la valeur de dureté est 10% 
supérieure sur le composite P4 et est en accord avec les résultats obtenus sur les faces. Ces essais sur 
la section confirment que les propriétés mécaniques du composite P4 sont supérieures au composite 
P2. La résine photochimique est donc favorable au comportement mécanique même avec un TC plus 
faible, cependant l’influence de ce taux de conversion est complexe est devra être analysée plus 
Empreintes 
Berkovich 
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finement. En effet, un TC trop faible procure des propriétés mécaniques médiocres et un TC trop élevé 
peut engendrer des déformations au retrait néfastes aux propriétés mécaniques [6]. 
 
3 Conclusion 
 
Dans ce travail, des composites unidirectionnels verre/polyester, obtenus par procédé conventionnel de 
polymérisation thermique et par un procédé photochimique, ont été élaborés et caractérisés 
mécaniquement par micro-indentation. L’influence des conditions d’élaboration sur le comportement 
mécanique a été observée. Pour les composites thermiquement réactifs l’élaboration incluant une étape 
de post cuisson améliore la polymérisation de la résine du composite et conduit à une augmentation de 
la dureté. Pour les composites photochimiquement réactifs, le compactage sous vide prolongé et 
l’imprégnation du renfort durcissent et rigidifient considérablement la structure obtenue sous réserve 
d’optimiser la diffusion de l’énergie lumineuse. Le taux de conversion de résine n’est pas suffisant 
pour expliquer à lui seul le comportement mécanique. Au final, ce travail montre que le comportement 
mécanique de composites obtenus par polymérisation photochimique est meilleur que par 
polymérisation thermique classique. 
Les perspectives de ce travail sont nombreuses. L’étude du fluage, par une modélisation de l’évolution 
de la profondeur d’indentation durant le maintien de la charge maximale, permettra de mieux 
comprendre le comportement des composites. Il est également envisagé de réaliser des essais 
d’indentation sous plus forte charge et d’utiliser un indenteur sphérique afin de mieux analyser 
l’élasticité globale de l’empilement. Il conviendra également d’approfondir l’influence des conditions 
d’élaboration des composites photoréticulés afin d’optimiser l’absorption de l’énergie lumineuse. 
 
Références  
 
[1] S. Sangthong, T. Pongprayoon, N. Yanumet, Mechanical property improvement of unsaturated 
polyester composite reinforced with admicellar-treated sisal fibers, Compos. Part Appl. Sci. Manuf. 40 
(2009) 687–694. 
[2] P.V. Antunes, A. Ramalho, E.V.P. Carrilho, Mechanical and wear behaviours of nano and 
microfilled polymeric composite: Effect of filler fraction and size, Mater. Des. 61 (2014) 50–60.  
[3] N. Gull, S.M. Khan, M.A. Munawar, M. Shafiq, F. Anjum, M.T.Z. Butt, T. Jamil, Synthesis and 
characterization of zinc oxide (ZnO) filled glass fiber reinforced polyester composites, Mater. Des. 67 
(2015) 313–317.  
[4] A.C. Obici, M.A.C. Sinhoreti, E. Frollini, L.C. Sobrinho, S. Consani, Degree of conversion and 
knoop hardness of Z250 composite using different photo-activation methods, Polym. Test. 24 (2005) 
814–818. 
[5] W.C. Oliver, G.M. Pharr, An improved technique for determining hardness and elastic modulus 
using load and displacement sensing indentation experiments, J. Mater. Res. 7 (1992) 1564–1583. 
[6] N. Silikas, G. Eliades, D.C. Watts, Light intensity effects on resin-composite degree of conversion 
and shrinkage strain, Dent. Mater. 16 (2000) 292–296.  
 


Influence du mode de polymérisation de composites verre/polyester sur leur comportement mécanique

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Influence du mode de polymérisation de composites verre/polyester sur leur comportement mécanique

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