Pr. Christophe BALEY,

christophe.baley@univ-ubs.fr

Conférence 19 Juin 2013 / Gembloux

Journée transfrontalière chanvre

Fibres végétales (chanvre et lin)

renforts de matériaux composites

http://www-limatb.univ-ubs.fr/

* Introduction

* Regards sur des plantes

* Conséquences pour des usages

dans les matériaux composites

* Une approche globale nécessaire

Sommaire

Quelques « bruits » diffusés

sur les fibres végétales

● Il s’agit d’une charge et non d’un renfort,

● Les propriétés ne sont pas reproductibles ni maîtrisées,

● Un polymère « hydrophobe » ne peut adhérer sur des fibres hydrophiles,

● Aucune durabilité à attendre,

● Il y a un problème d’odeur,

● La culture est impactante sur l’environnement,

● Les analyses de cycles de vie sont discutables,

● Usage de la biomasse dans le domaine des matériaux = émeutes de la faim,

● C’est juste un effet de mode,

● La biomasse ne coûte pas cher,

● Produire pour le domaine de la plasturgie, cela sera-t-il rémunérateur ?

● Il y a une faible disponibilité de la ressource,

● ….

1/2 produits

Pourquoi utiliser des fibres végétales comme renfort de matériaux composites ? (colloque UBS/LTI juin 2010 « Agro matériaux : quels débouchés industriels » )

2 arguments discutables: ► la diminution des coûts,

► le lessivage écologique (greenwashing). Par contre :

► la diminution des impacts environnement (ACV), ,

► pièces avec des propriétés mécaniques spécifiques importantes,

► un ensemble de solutions de fin vie,

► la possibilité de donner un caractère (une finition) naturel,

► la réduction des impacts sur la santé humaine,

[C. Baley. A review of biocomposite development. JEC Composites Magazine N°46, Janv-Fev 2009, p 32-33]

En plus :

► REACH (règlement sur l'enregistrement, l'évaluation, l'autorisation et les

restrictions des substances chimiques) ,

► la valeur stratégique pour l’entreprise,

0

400

800

1200

1600

2000

0 20 40 60 80 100

Module d'Young (GPa)

Co

ntr

ain

te à

ru

ptu

re (

MP

a)

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100

Module d'Young (GPa)

Allo

ng

em

en

t à r

up

ture (

MP

a)

Propriétés mécaniques en traction

Ortie (Urtica Doïca)

Lin

Chanvre

Traction sur fibres unitaires

Protocole identique

Conditions de caractérisation identiques

« The inevitable

renaissance of

minimun energy

structure »

Navecomat

0

20

40

60

80

100abiotic depletion

global warming (GWP100)

ozone layer depletion (ODP)

human toxicity

fresh water aquatic ecotox.terrestrial ecotoxicity

photochemical oxidation

acidification

eutrophication

Flax

glass

0

20

40

60

80

100abiotic depletion

global warming (GWP100)

ozone layer depletion (ODP)

human toxicity

fresh water aquatic ecotox.terrestrial ecotoxicity

photochemical oxidation

acidification

eutrophication

Flax/PLLA

Glass/Polyester

Navecomat

► Fin de vie : recyclage

ou biocompostage

Fibres

Composites

Objectifs du programme

► Matériaux hautes performances,

durables,

► Matériaux issus de ressources

renouvelables,

► Faibles impacts sur

l’environnement

► Solutions en fin de d’usage et fin

de vie (recyclage / biodégradation)

[Le Duigou 2009]

[Le Duigou 2011]

[Le Duigou 2011]

Autrefois…

Regards sur des plantes

Biomimétisme

« Va prendre tes leçons dans la nature »

Léonard de Vinci

Ressources

Non limitées

Rejets non

limités

Société actuelle

Déchet

Écosystème

Les fibres naturelles / rôle ?

[Mohanty et al. 2005]

[Bodros, Baley 2008]

Thèse Audrey ABOT

2010 Univ. Poitiers

Coupe t

ransvers

ale

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(C

. sativa)

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range.

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Fs :

fibre

s s

econdaires,

Cb :

cam

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m,

Xy :

xylè

me).

Fibres

Assemblées

en faisceaux

Lin

● Rôle structurel des fibres (tissus de soutien),

● Une tige est un matériau composite,

● Les fibres adhèrent (au sein de la plante),

● La tige est renforcée par des fibres courtes.

Scheme of snap point position (red line) on flax stem in the course of plant development (Gorshkova et al. 2003)

Élongation

PP

Initiation

PS

Épaississement

PS

Lors de la période de croissance, la plante réagit en fonction des conditions pedo-

climatiques qu’elle subit.

Paramètres: Sol / les précipitations/ la température/ le nombre de graines au m² /

vent / variété/ apport azote / traitements / la période d’arrachage…

Élongation: 1 à 2 cm par jour pendant 2 à 4 jours

Une fibre = un empilement renforcé par des fibrilles de

cellulose = matériau anisotrope

S3

S2

S1

P Primary

Cell wall

q S3

S2

S1

P

Paroi

secondaire

Paroi

primaire Orientation

Lin S

Ortie S

Chanvre Z

[Bergfjord 2010]

Schéma d’une fibre de chanvre

Cellulose E = 130 Gpa à 170 GPa

s = 8000 Mpa

Conséquences de la nature des

fibres pour un usage comme

renfort de matériaux composites

Remarque sur la division des faisceaux

[Co

roll

er, B

aley

et

al. 2

01

3}

Extraction des fibres de chanvre

Etapes de production des fibres de lin

Fil de lin au mouillé

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025

Déformation (mm/mm)

Con

train

te (

MP

a)

Tissu

Mat

Direction de sollicitation

Présentation

des fibres

Fibre de lin - Influence de l’eau absorbée

Composition d’une fibre de lin

65 – 75% de cellulose + 11-17 % hémicellulloses + 2-3 % pectines

+ 6-8 % eau + cires + lignine

Composition d’une fibre de lin

Et si on chauffe ?

Libération de l’eau

A 120 °C il n’y a plus d’eau

+ dégradation des cires,

A 180°C dégradation des pectines

A 230°C on note une dégradation

des hémicelluloses et cellulose

Paramètres: temps et température

► Evolution des performances avec un cycle thermique

120°C

230°C

180°C 450°C

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18

Allongement (mm)

Fo

rce (

N)

Adhérence fibre/matrice. Comparaison

Contrainte apparente de cisaillement interfaciale

[A] Baley et al. 2006 / [B] Baley et al. 2004 / [C] Le Duigou al al. 2010

Fibres brutes NaOH

Traitements des fibres

Strain (%)

0 2 4 6 8

Str

ess (

Mpa)

0

200

400

600

800

1000

1200

5% NaOH

10% NaOH

Raw flax

1% NaOH

Enzymatique

Module d'Young Specif. (GPa/d) en f(VF) (%)

0

5

10

15

20

25

30

10 20 30 40 50 60 70

Data Limatb

Litterature

Glass

Unidirectionnel en traction long.

[Coroller et al. 2013]

Contr. Specif à rupture (MPa/d) en f(VF) (%)

0

50

100

150

200

250

300

350

10 20 30 40 50 60 70

Data Limatb 1

Data Limatb 2

Litterature

Glass

Verre/époxy

Verre/époxy

Lin/époxy

Résistance

Rigidité

UD lin/époxy

Fibre végétale = empilement

Film stacking

Thermoformage

Extrusion monovis

Extrusion bivis

Injection

10

10E5

Problématiques majeures – Mots clefs

Dispersion des fibres - Individualisation - Préservation.

+ P

Baley , Comp Part A, 2002.

Spécificités injection/ extrusion

Recyclage PP/fibres végétales (Injection)

Cycles d'injection

0 2 4 6

Rap

po

rt

d'a

sp

ect

0

10

20

30

40

50

60

PP-Verre

PP-Chanvre

PP-Sisal

Cycles d'injection

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Mo

du

le d

'Yo

un

g (

MP

a)

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

PP-Chanvre

PP-Sisal

PP

PP-Verre

L

D

[Bourmaud, Baley 2007]

[Bourmaud, Le Duigou, Baley 2011]

Usage de PP recyclé (PPR)

Recyclage PPR/fibres végétales (Injection)

Analyse cycle de vie = Gains

Une approche globale

nécessaire

Une approche pluridisciplinaire indispensable

Une plante = Plusieurs co-produits

Biocomposites / Questions de base sur:

● Les propriétés des fibres (origine, reproductibilité, paramètres

pertinents)

● L’extraction, la présentation des fibres et la transformation du

composite en respectant les parois cellulaires,

● La dispersion des fibres dans un polymère pour réaliser une

matériau composite performant (maîtrise de la dispersion, de

l’orientation du mouillage, de la liaison fibre/matrice…), durable avec

une (ou +) solutions de fin de vie,

● Comment « Penser Biocomposite » en s’inspirant des éco-systèmes

naturels. Ce qui impose des approches multi-échelles et

pluridisciplinaires. Il est nécessaire de tenir compte des spécificités des

fibres végétales et d’éco-concevoir en tenant compte de l’anisotropie,

● La cohérence de l’usage des fibres végétales comme renfort (choix

du polymère, du process…)

Enjeux scientifiques

a

Variétés, conditions

pédo-climatiques, rouissage…

Procédé de transformation

Vieillissement

Traitements des fibres

Mouillage

Adhérence

+ Usage

Recyclage + Fin de vie

Flax harvesting,

"Sennedjem"’s tomb, Ancient Egypt.

* Les + justifiant l’usage de la biomasse,

• Beaucoup d’idées reçues,

• Début de l’histoire (renforcement des

•polymères par des fibres végétales),

• Biomimétisme (il y a des logiques),

•Fibres végétales = Matériau composite / empilement /

nanostructuré / durable et biodégradable,

• Approches pluridisciplinaires,

• Demande une culture élargie et une démarche globale

Points abordés

Merci de votre attention.