fibres végétales (chanvre et lin) renforts de matériaux...
TRANSCRIPT
Pr. Christophe BALEY,
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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hanvre
(C
. sativa)
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Fs :
fibre
s s
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Cb :
cam
biu
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.