Cet article fait référence à la troisième partie de l’introduction du mémoire de Nathan MPIANA KIBWELA réalisé durant son Master Ingénieur Civil en Chimie Industrielle (2021/2022)
Titre du mémoire : Étude comparative des propriétés mécaniques d’un matériau composite à matrice polymérique renforcé par les fibres végétales de bambou et de palmier dattier
Sommaire
Présentation des fibres végétales de Bambou et de Palmier Dattier
Bambou
Le mot « bambou » provient du malais « mambu » qui signifie « bois indispensable ». Mais c’est en réalité une plante ligneuse, une « herbe géante » qui fait partie de la famille des Graminées à savoir des Poacées, comme le blé, le maïs ou les herbes à gazon. Dans le monde, on en recense environ plus de 1300 espèces (Rasoldier et al., 2014).
Les bambous proviennent des régions froides de l’Asie orientale (Malaisie, Chine et Japon) et des régions des hautes montagnes de l’Asie méridionale (Inde, Ceylan) (Randriamiandra et al., 2005). Cependant, ils peuvent s’adapter dans les pays tropicaux, mêmes très chauds. D’où, la pensée qu’ils sont originaires des pays tropicaux.
Quelques dizaines d’espèces se rencontrent en Afrique orientale et occidentale (Rakotomanana et al., 2014). Le bambou nécessite l’abondance du soleil. Et c’est pour cette raison qu’il se voit pousser à l’état sauvage dans les ravins, le long des berges des rivières et dans des endroits à climat de mousson comme l’Asie du Sud tropicale, les collines tempérées de l’Himalaya et la moitié nord tropicale de l’Amérique du Sud.
Le bambou est une plante à croissance rapide. Il peut déjà atteindre sa taille adulte (35 mètres pour certaines espèces) au bout de 100 jours et sa maturité après 3 à 6 ans à partir du moment où il commence à sortir de la terre. A ce stade, les fibres sont plus fortes et il y a moins d’humidité dans le chaume. La figure 8 illustre les différentes parties de Bambou.
Aussi appelé « canne », le chaume est un tube creux, cloisonné aux noeuds. La cicatrice visible aux noeuds est la trace de la gaine des feuilles tombées. Le chaume est constitué de 55 % de cellules de stockage, de 35 % des fibres résistants, de 10 % de tissus conducteurs d’eau et de sucre.
Les plus gros spécimens de bambou peuvent atteindre 35 mètres de haut pour un diamètre d’environ 30 cm ; il pousse en se dépliant à la façon d’un télescope. Les chaumes (figure 9), se balancent aux vents forts mais ils se cassent rarement.
Classification de bambou
Le tableau 5 contient une classification botanique de bambou, il présente le règne, Le sous-règne, la famille botanique et ainsi que le genre.
Dans le monde, on compte actuellement, environ 1.250 espèces de bambous regroupées en une cinquantaine de genres. Etroitement lié à tous les aspects du quotidien, notamment en Asie, le bambou fait partie intégrante de la vie et de la culture. Prodiguant abri, chaleur, musique et vêtements, cette graminée (herbe) intervient dans de très nombreux usages ; médicinal, architectural, nutritif, musical (Rakotomanana, 2019).
Dans le domaine du composite, les tiges de bambou sont parfois utilisées pour contribuer à la fortification du béton armé et ses fibres, extraites du chaume, peuvent être employées en tant que renfort des matériaux composites pour des nombreuses applications. Le tableau 6, ci-dessous résume les valeurs de quelques caractéristiques mécaniques d’une fibre de bambou.
Palmier Dattier
L’origine géographique précise du palmier dattier parait très controversée. Elle fait l’objet des plusieurs hypothèses. Selon Munier (1973), le palmier dattier résulterait de l’hybridation de plusieurs types de Phoenix et sa domestication aurait eu lieu dans la région orientale du Sahara (Khebbache, 2020).
Primitivement cultivé dans les zones arides et semi arides des quelques pays (Irak, Iran, Arabie Saoudite, Pakistan, Palestine) et est ensuite introduit en Afrique et même en Europe grâce aux phéniciens, ces grands commerçants de la méditerranée (Bouabdallah, 1990).
Le palmier dattier (Phoenix dactylifera L.) est une monocotylédone de la famille des palmacées ; un don des genres de Coryphoideae où l’espèce Phoenix dactylifera L, est caractérisée par un pseudo-tronc (stipe) unique terminé par un panache de feuilles composées avec une série de folioles de chaque côté d’un pétiole commun, provenant d’un point croissant sur le tronc. Le palmier dattier peut atteindre un âge de 100 ans et atteint jusqu’à 24 m de hauteur au point croissant (Barreveld, 1993).
Classification de Palmier Dattier
La place de l’espèce Phoenix dactylifera L. (Palmier Dattier) dans le règne végétal est rappelée dans le tableau 7 :
Le palmier dattier est une plante qui possède un tronc qui contient du bois fibreux et du tissu entourant le tronc à l’encastrement de la palme. De plus, c’est une plante dioïque comportant des pieds mâles (Dokkar) et des pieds femelles (Nakhla).
Les palmes sont réunies en forme d’une couronne en un nombre de 20 à 30 au maximum.
Un ensemble de régimes (Grappe) aux fruits sont suspendus sous la couronne de palmes dispersée. La Figure 10 présente les constituants principaux du palmier dattier et l’évolution naturelle d’une palme.
La palme est une feuille pennée dont les folioles sont régulièrement disposées en position oblique le long du rachis (Gand) qui s’étend jusqu’au pétiole (Kornaf). Les segments inférieurs sont transformés en épines, plus ou moins nombreuses, et plus ou moins longues.
La base pétiolaire des palmes est dure et relativement rigide (Fadlaoui, 2017). La longueur d’une palme peut varier de quelques dizaines de centimètre à plusieurs mètres. Suivant cette longueur, la palme peut être divisée en quatre parties : partie pétiolaire, partie épineuse, partie intermédiaire et partie foliotée. La Figure 11 présente les différentes parties d’une palme mûre.
I.
Méthodes d’extractions des fibres végétales
La séparation des fibres ou le processus d’extraction a un impact majeur sur le rendement en fibres et la qualité finale de la fibre. Il influence la structure, la composition chimique et les propriétés des fibres. Les procédures peuvent être divisées en procédé de séparation biologique, mécanique et chimique.
Dans certains cas, on procède par la combinaison de deux ou plusieurs traitements différents, par exemple, un traitement mécanique suivi d’un traitement chimique, ou bien un traitement chimique suivi d’un traitement biologique.
Procédés d’extractions mécaniques
L’extraction mécanique consiste à passer la matière fibreuse à travers une ou plusieurs machines permettant de détruire les matières non cellulosiques et de dégrader les fibres. La matière première utilisée au cours de ce procédé, doit être sèche.
Parmi les machines utilisées, on distingue les « raspadors » appelés aussi les décortiqueuses.
Il s’agit de machines employées surtout dans l’extraction des fibres d’agave par une simple action de battage et de grattage. Cette technique est adoptée pour plusieurs fibres végétales telles que : les fibres d’alfa, les fibres d’agave, les fibres de bambou et les fibres de sisal. De nos jours, ces machines deviennent plus automatisées et sans intervention manuelle.
Prenons l’exemple des fibres de bambou qui sont traitées mécaniquement de la manière suivante : on procède par une méthode manuelle où les fibres sont séparées par l’utilisation d’un couteau, et d’un peigne après les avoir battues. C’est la méthode laminage ou pressage qui consiste à l’écrasement sous presse ou par laminage ou encore par combinaison des deux traitements, les fibres sont détachées les unes des autres. Ceci est répété plusieurs fois de suite jusqu’à ce que les fibres soient le plus possible séparées (Aizi, 2017).
Après l’étape d’extraction et de séchage, les fibres demeurent collées les unes aux autres d’où la nécessité de faire un peignage.
Bien qu’il s’agisse d’une méthode beaucoup plus simple et une alternative plus rentable pour séparer la fibre de la plante, l’inconvénient majeur de cette méthode, les fibres produites sont beaucoup plus grossières et moins fines par rapport à celles obtenues par rouissage ou par traitement chimique. De plus, il a un risque de modification des caractéristiques mécaniques des fibres à cause des sollicitations que subissent ces dernières.
Procédures d’extractions chimiques
L’extraction chimique des fibres végétales consiste à traiter la matière fibreuse dans une solution contenant un ou plusieurs agents chimiques dans des conditions bien déterminées. L’extraction consiste à dissoudre la lignine, l’hémicellulose et toutes autres matières extractibles qui lient les fibres les unes aux autres pour obtenir les fibres. Plusieurs produits chimiques peuvent être utilisés pour cet effet qui constitue des solvants pour les matières liantes des fibres dans la plante.
Pour ce faire, la feuille ou la tige sont immergées dans des réservoirs chauffés contenant soit une solution d’acide sulfurique, d’hydroxyde de sodium ou de potassium et du carbonate de sodium pour dissoudre le composant pectine. L’utilisation d’agents tensio-actifs dans le processus assure une simple élimination des composants non souhaités, non cellulosiques adhérant aux fibres par dispersion.
Généralement l’hydrolyse acide conduit à la production de nanocristaux de cellulose ou de filaments fins (whisker) de cellulose. Aujourd’hui, la méthode de choix pour l’isolement de nanoparticules de la cellulose est encore basée sur l’hydrolyse contrôlée avec l’acide sulfurique en raison de la stabilité des suspensions résultantes.
D’autres acides tels que l’acide chlorhydrique, l’acide oxalique, l’acide hydrobromique et l’acide nitrique peuvent aussi être utilisés. La fonction essentiellement commune de ces acides réside dans leur capacité à libérer des protons H+ pour le clivage hydrolytique des liaisons glycosidiques dans les chaînes moléculaires de cellulose au niveau des régions amorphes. (Mayamba, 2019).
Procédés d’extractions biologiques
Le traitement biologique consiste à dégrader les matières liantes des fibres à l’aide des microorganismes qui se développent dans le milieu de traitement (bain de rouissage) ou bien en utilisant des enzymes qui activent l’opération de dégradation de ces matières (traitement enzymatique).
Rouissage au champ
Après avoir arraché la plante de la terre tout en conservant les racines, la plante est laissée sur terre plusieurs semaines. Elle est exposée aux différents facteurs climatiques (soleil, pluie, vent) afin de favoriser le développement des micro-organismes. Ces derniers viennent attaquer la matière pectique qui relie les faisceaux de fibres entre elles.
Cette action permet une extraction de la fibre et un affinage plus facile. En dernier, cette étape est suivie par un lavage à l’eau qui en résulte des fibres bien séparées les unes des autres. C’est un procédé peu couteux, qui nécessite peu de main-d’oeuvre. Par contre, il nécessite une grande surface. Puisque la plante est soumise à des conditions climatiques où on n’a pas le contrôle (Aizi, 2017).
Rouissage en étang
Ce procédé consiste à immerger dans l’eau les différentes parties de la plante à partir desquelles l’extraction s’effectuera. Cette technique est relativement longue due au développement naturel des bactéries, anaérobie qui grâce à un matériel enzymatique spécifique sont capables de dégrader les macromolécules végétales qui lient les faisceaux fibreux entre eux. Bien que cette méthode donne d’excellents résultats, de nos jours, elle n’est plus appliquée pour des raisons sanitaires et environnementales. En effet cette méthode consomme une quantité importante d’eau. (Aizi, 2017)
Rouissage enzymatique
Les enzymes sont des catalyseurs biologiques permettant d’activer une réaction ou une substance spécifique. Les noms des enzymes dérivent de la réaction catalysée, en ajoutant le suffixe –ase. Exemple : la catalyse d’une cellulose est effectuée par une cellulase, et celle d’une amylose par une amylase.
Parmi les avantages de l’utilisation des enzymes par rapport à un catalyseur chimique, on distingue :
✓ La rapidité du traitement : la vitesse d’une réaction est catalysée 106 à 1023 fois plus élevée que de celle non catalysée ;
✓ Spécificité de fonctionnement : les enzymes fonctionnent avec une substance ou selon une réaction particulière. D’où les produits secondaires issus de ce traitement sont de quantité minimale.
Malgré ces avantages, les pectinases sont capables d’hydrolyser la liaison glycosidique de la cellulose et donc la cellulose elle-même ce qui constitue un inconvénient majeur pour l’utilisation de ces microorganismes.
Procédés d’extractions combinés
Autres que les méthodes d’extraction simples, on trouve les procédés d’extraction combinés qui nécessitent une succession des traitements. En premier lieu un procédé mécanique d’extraction des fibres est réalisé. Par la suite les fibres obtenues sont immergées dans une solution de soude pendant 2 heures à une température de 90 °C.
Avantages et inconvénients de l’utilisation des fibres végétales
Outre l’avantage direct de réduire l’impact négatif sur l’environnement au stade de la fabrication, un composite renforcé par des fibres naturelles peut également contribuer au respect de l’environnement durant la phase de production en plus de son poids réduit (Rouam, 2014). Les fibres naturelles sont étudiées en vue de leur utilisation comme renforts des composites et de tirer profit des atouts particuliers qu’offrent chacune d’elles (Bourhalli, 2014). Les principaux avantages et inconvénients sont rassemblés dans le tableau 8.
Conclusion
Le but de ce chapitre était de présenter les fibres végétales naturelles. Nous avons dans le premier temps présenté l’état de l’art des fibres naturelles végétales en donnant la structure et la morphologie ainsi que la composition chimique et les facteurs qui influencent les propriétés des fibres.
Ensuite nous avons parlé des méthodes d’extractions des fibres végétales tout en donnant les avantages et inconvénients de l’utilisation des fibres végétales pour les applications des matériaux composites.
Livre pour approfondir
Biologie végétale : Nutrition et métabolisme
Ce volume explore les rouages fascinants de la nutrition hydrominérale, de la photosynthèse et du métabolisme intermédiaire des végétaux.
Bibliographie
Présente sur le second article
