Cet article fait référence à 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
Généralités sur les fibres végétales
Aujourd’hui, avec les nouvelles contraintes liées à la protection de l’environnement, les efforts des chercheurs sont actuellement orientés vers le renforcement des matériaux composites par des fibres végétales. L’idéal serait de concevoir un matériau biodégradable ou encore recyclable, après avoir accompli sa fonction.
Ainsi donc, nous présentons dans ce chapitre un état de l’art sur les fibres naturelles végétales ; la structure et morphologie des fibres lignocellulosiques, nous parlerons de la composition chimique des fibres végétales d’une manière générale et en particulier celle des fibres végétales de Bambou et de Palmier dattier.
Nous présenterons une revue de la littérature concernant ; les propriétés physiques et mécaniques des fibres végétales et ainsi que les paramètres influençant ses propriétés, ce chapitre présente également les différentes méthodes d’extraction des fibres végétales ainsi que les avantages et les inconvénients liés à l’utilisation des fibres végétales dans le domaine des matériaux composites.
Fibres végétales
Définition
Les fibres végétales sont des structures biologiques fibrillaires composées de cellulose, hémicellulose et de lignine. En proportion relativement faible d’extractibles non azotés, des matières protéiques, de lipide et de matières minérales. Les proportions de ces constituants dépendent énormément de l’espèce, de l’âge et des organes de la plante (Rouam et al., 2014).
Classification
Les fibres végétales sont classées : selon l’organe de la plante dont elles sont issues, suivant la teneur des constituants prépondérants tels que la cellulose, l’hémicellulose et lignine, sont aussi classées suivant la longueur des fibres végétales
- Selon l’organe de la plante
Ces fibres sont issues de différentes parties de la plante telles qu’elles sont représentées sur la figure 1 (Dallel, 2012) : - ✓ Fibres libériennes : extraites de la partie supérieure de la tige (lin, chanvre, jute, kénaf, ramie, etc.)
- ✓ Fibres extraites des feuilles : fibre de sisal, de bananier, de palmier… »
- ✓ Fibres extraites de poils séminaux des graines : fibres de coton, de kapok
- ✓ Fibres extraites de l’enveloppe de fruit : fibres de coco…
- ✓ Fibres extraites des tiges ou des troncs : paille de blé, riz et d’orge.
Selon la teneur en constituant chimique
Suivant leur teneur en cellulose, hémicellulose et en lignine, on peut distinguer les fibres ligneuses (dures et rigides) provenant de matériels ligneux tels que le bois, les résidus de l’industrie du bois et les fibres non ligneuses (douces, souples, issues de végétaux non ligneux) souvent annuelles relativement moins riches en lignine tels que le kénaf, le chanvre, le sisal, le jute et le lin (Michaud, 2009).
Suivant la longueur des fibres
Suivant leur longueur, les fibres végétales peuvent être groupées en deux catégories : fibres longues, dites libériennes, provenant des tiges et d’écorce de tiges de plantes annuelles. Ces fibres sont douces, lorsqu’elles sont issues de feuilles ou de troncs d’arbre sont plus dures et plus rigides à cause de leur richesse en lignine, suivant la longueur des fibres, nous avons aussi des fibres courtes ou étoupes (Dallel, 2012).
Structure et morphologie des fibres
Les fibres végétales sont constituées de cellules individuelles ou cellules de base. La plupart des fibres naturelles sont multicellulaires formées en fait d’un faisceau de fibres individuelles. Par contre le coton et le kapok ont chacun une unique cellule de base suffisamment longue pour être considéré comme fibre unicellulaire (Bourahli, 2014).
Les cellules sont constituées de micro fibrilles cristallines à base de cellulose et reliées sur une couche entière de lignine amorphe et d’hémicellulose (figure 2). L’empilement de ces couches forme ainsi les parois cellulaires multicouches.
D’un point de vue cellulaire, les fibres lignocellulosiques sont entourées par la lamelle moyenne qui assure la cohésion entre les cellules et confère à la fibre ses propriétés de rigidité. On distingue ensuite la paroi primaire très fine et la paroi secondaire beaucoup plus dense et résistante.
La paroi cellulaire secondaire ou couche secondaire est composée de trois couches distinctes (S1, S2 et S3) et elle contient la proportion majeure de cellulose. La couche de milieu S2 est la couche la plus épaisse et la plus déterminante dans les propriétés mécaniques des fibres en l’occurrence sa résistance à la traction vue qu’elle est composée de microfibrilles de cellulose disposée parallèlement mais en hélice suivant un angle appelé angle microfibrillaire (Milk, 2018).
Cet angle ainsi que le taux de cellulose sont deux paramètres importants dans la détermination des propriétés mécaniques de la fibre (Boustani, 2016). Enfin, le lumen est la cavité au centre de la fibre qui va permettre la circulation de la sève. La figure 2 illustre la structure des fibres végétales.
Composition chimique des fibres
Dans une fibre végétale, les propriétés physiques, mécaniques et thermiques sont principalement déterminées par la composition chimique, ainsi que la structure, la dimension des cellules, le pourcentage de cellulose et l’angle microfibrillaire (Toupe, 2015).
Et on note que le composant majoritaire des fibres naturelles est la cellulose mais aussi on trouve la lignine, l’hémicellulose, la pectine, des protéines et d’autres composantes non organiques (Rowell, 1995). Cette composition chimique dépend de l’origine de la fibre, des conditions de croissance, des conditions climatiques, de l’âge de la plante et de la provenance de la fibre et ainsi que la méthode d’extraction des fibres végétales (Milk et al., 2018).
On note également que la composition chimique, la structure, les défauts et les dimensions des cellules des fibres sont les principaux paramètres qui conditionnent l’ensemble des propriétés des fibres notamment les propriétés mécaniques. Le tableau 1 présente la composition chimique de quelques fibres végétales.
Comme nous le constatons, la cellulose est l’élément chimique prépondérant dans les fibres végétales, suivi de l’hémicellulose et de la lignine.
La cellulose
La cellulose est le polymère le plus abondant à la surface de la Terre. Il s’agit d’un homopolymère linéaire constitué exclusivement d’unités D-glucopyranose, reliées entre elles par des liaisons β-1,4.
La cellulose, comme présentée sur (figure 3), est un glucide de formule moléculaire (C6H10O5)n où n est le degré de polymérisation et il varie énormément selon l’origine de la cellulose (Milk, 2018).
Les chaînes de cellulose présentent la particularité d’avoir deux extrémités chimiquement différentes. L’une est appelée extrémité réductrice, elle correspond à l’extrémité dont la fonction alcool anomérique de l’unité anhydroglucose est libre. De ce fait, elle est en équilibre avec la forme aldéhyde minoritaire.
L’autre extrémité est appelée extrémité non réductrice. La cellulose possède une structure semi-cristalline, c’est-à- dire qu’elle présente à la fois des zones très ordonnées (zones cristallines) et des zones désordonnées (zones amorphes). Les zones cristallines vont conférer à la cellulose son importante résistance mécanique, alors que les zones amorphes vont conduire au gonflement de la cellulose en présence de solvant.
Comme nous l’avons dit ci-haut, la cellulose est un glucide constitué de chaînes linéaires de molécules de D-glucose liées entre elles pour former des polymères linéaires, il convient de signaler que les molécules de D-glucose peuvent développer des liaisons inter ou intramoléculaires de type liaison hydrogène, selon la (figure 4).
La structure cristalline de la cellulose est un facteur très déterminant dans les propriétés mécaniques des fibres. Des travaux ont montré que la cellulose est constituée de chaînes macromoléculaires parallèles avec une très grande cohésion.
Les groupes hydroxyles (OH) sont susceptibles d’être impliqués dans la formation de liaisons intra et inter chaînes de cellulose et confèrent à celle-ci ses propriétés mécaniques à savoir la rigidité et la résistance.
Les zones cristallines sont caractérisées par une forte densité en liaison hydrogène contrairement aux zones amorphes ce qui rend ces dernières fragiles et facilement accessibles (Faugeras, 2012). Selon son origine, la cellulose présente une cristallinité qui peut atteindre 80 %.
La cellulose est résistante aux solutions basiques même à pH très élevé et elle est résistante aux agents oxydants mais elle très sensible aux acides qui causent son hydrolyse (Toupe, 2015).
La lignine
La lignine est un polymère hydrocarboné ayant une structure tridimensionnelle aléatoire et très complexe, elle confère aux fibres végétales la rigidité et la résistance mécanique. La lignine se forme lors de la formation de la paroi secondaire et se dépose autour des constituants polysaccharides et protéines de la paroi comme une gaine (Fatiha, 2014).
Ce qui la rend plus hydrophobe et plus résistante aux pathogènes et aux attaques parasitaires formant une barrière de protection biologique (Ragoubi, 2010). La structure des lignines est relativement complexe et n’est toujours pas totalement élucidée à l’heure actuelle.
Et il faut dire que les lignines sont des polymères bio-synthétisés à squelette aromatique qui résulte de la polymérisation de trois monomères de départ : l’alcool p-coumarique, l’alcool coniférylique et l’alcool sinapylique (figure 5). L’assemblage de ces trois monolignols par différents types de liaisons chimiques conduit à un composé amorphe et hydrophobe. La composition chimique des lignines varie également en fonction de l’espèce végétale choisie.
Par comparaison à la cellulose, la lignine présente des propriétés mécaniques médiocres (Fatiha, 2014). Donc pour avoir des fibres ayant de bonnes performances mécaniques la lignine doit être éliminée.
L’hémicellulose
L’hémicellulose est constituée de polymères polysaccharides composés de pentose et d’hexanes ayant un degré de polymérisation inférieur à celui de la cellulose (Faugeras, 2012). L’hémicellulose interagit avec la cellulose et la lignine, par des liaisons hydrogène, pour renforcer la paroi cellulaire et assurer la souplesse et la flexibilité de la plante.
Les cinq sucres consécutifs des hémicelluloses du bois sont le glucose, le mannose, le xylose, le galactose et l’arabinose. La composition chimique des hémicelluloses varie des racines aux branches mais également d’un arbre à un autre. Elles possèdent une structure tridimensionnelle, amorphe et n’ont qu’une faible résistance mécanique.
Les hémicelluloses sont solubles dans l’eau et peuvent être extraites de la paroi cellulaire par des solutions alcalines. Les hémicelluloses ont un degré de polymérisation compris entre 200 et 300 et leur structure dépend de l’espèce végétale. Les hémicelluloses jouent un rôle très important dans le renforcement de la paroi cellulaire par interaction avec la cellulose et la lignine. La figure 6 présente les constituants d’hémicellulose.
La pectine
Les pectines regroupent les hétéropolysaccharides qui se trouvent généralement dans les parois cellulaires primaires des fibres végétales sauf le bois. La structure des pectines dépend de l’espèce végétale et les proportions des différents types varient en fonction de leur position dans les parois cellulaires.
Les pectines sont les composés les plus hydrophiles dans les fibres végétales en raison de la présence de groupes acide carboxylique. La figure 7 présente un exemple de structure de pectine.
Une grande variabilité de la teneur en pectines est observée suivant l’élément lignocellulosique. Chez les végétaux supérieurs et dans les tissus lignifiés, les pectines sont en faible proportion, de l’ordre de 1 %. La biomasse des légumes, des fruits et de certaines algues est représentée quant à elle à plus de 30 % par les substances pectiques (Mohnen, 2008).
Les pectines régulent également la porosité, l’hydratation, la charge ionique des parois et participent à l’expansion, la morphogenèse, l’adhésion et aux mécanismes de défense des cellules (Faugeras, 2012).
Livre pour approfondir
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Bibliographie
Présente sur le second article
