Fibres végétales : Propriétés physiques et mécaniques

Cet article fait référence à la seconde 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

Introduction

Une fibre végétale est caractérisée par sa finesse et sa forme allongée par rapport à son diamètre. La plupart des fibres végétales mesures entre 10 et 150 mm de long pour un diamètre de 10 à 50 micromètres, soit un rapport longueur sur diamètre compris entre 10 et 100 (Ninouh, 2019).

Leur retour comme matériaux potentiels est dû aux différents avantages qu’elles présentent. Bien entendu, l’effet de ces avantages varie d’une fibre à une autre et dépend de la composition chimique et physique, la structure, le pourcentage de cellulose, l’angle micro fibrillaire, la section et le degré de polymérisation.

Généralement une fibre végétale est caractérisée physiquement par son diamètre, sa densité, sa teneur en eau et son pourcentage d’absorption d’eau. Elle est caractérisée mécaniquement par sa résistance à la traction (contrainte maximale), son élongation (déformation) ou allongement à la rupture et son module d’élasticité ou module de Young (Badji, 2017).

Propriétés physiques des fibres végétales

Dimension des fibres (diamètre et longueur)

La finesse présente un paramètre très important dans la caractérisation des fibres végétales. Ce paramètre est défini généralement par un facteur de forme (L/d) qui est présenté par le rapport entre les longueurs des fibres (en mm) et leurs diamètres (en μm).

Ceci permet de comparer les différentes fibres végétales et de définir ainsi leurs champs d’application. En effet, un facteur de forme faible indique une résistance assez importante, ce qui oriente l’utilisation de ces fibres dans le renforcement des matériaux composites, par exemple. Par contre, un rapport (L/d) assez élevé oriente l’utilisation des fibres vers le domaine textile, par exemple. Le tableau 2 présente la longueur et le diamètre des quelques fibres végétales.

D’après le tableau 2, la longueur et le diamètre des fibres végétales, varient d’une espèce à une autre. Ceci conditionne l’application de ces fibres dans le domaine textile et des matériaux composites également.

Taux de reprise des fibres végétales

L’humidité atmosphérique, liée à la température, exerce une influence sur les propriétés physiques, mécaniques et chimiques des fibres végétales. La teneur en humidité et le taux de reprise sont deux paramètres qui renseignent sur la quantité d’eau, que peut contenir ou reprendre la fibre dans des conditions climatiques bien définies.

De ce fait, on peut définir le taux de reprise comme étant la quantité d’eau absorbée par 100 grammes de matière sèche dans des conditions climatiques bien déterminées. La teneur en humidité est définie comme étant la quantité d’humidité contenue dans 100 grammes de matière humide dans les mêmes conditions climatiques. Un exemple de taux de reprise pour certaines fibres végétales est illustré dans le tableau 3

La mesure de ces deux caractéristiques est basée sur le principe de la méthode gravimétrique conformément à la norme NF G 08-001. Le taux de reprise R(%) et la teneur en humidité Q(%) sont donnés par les équations suivantes :

MH : masse humide en gramme dans des conditions d’humidité et de température données
MS : masse sèche en gramme dans des conditions d’humidité et de température données.

La densité des fibres végétales

La densité des fibres végétales est une caractéristique très importante puisqu’elle se répercute sur le poids des produits réalisés à partir de ces fibres. Par exemple, les fibres de verre ayant une densité de 2,56 donnent des produits lourds alors que ceux fabriqués à base de fibres de polyéthylène de densité 0,92 seront largement plus légers. Cette propriété est particulièrement importante pour les applications techniques comme les composites ou les géotextiles.

La densité de la fibre peut être déterminée par plusieurs techniques, à savoir la méthode de colonne à gradient de densité ou bien en utilisant le pycnomètre (Badji, 2017). Parmi ces deux méthodes, la première technique est basée sur l’observation de la hauteur d’immersion d’une éprouvette, présentée sous forme de noeud, dans une colonne de liquide présentant un gradient linéaire de densité.

Ce gradient est réalisé par deux liquides de référence miscibles et de densités différentes. Pour mesurer la densité de la cellulose, on utilise généralement le tétrachlorure de carbone (1,595) et le xylène (0,650). Ces deux liquides n’affectent pas la fibre et ne causent en aucun cas son gonflement.

Propriétés mécaniques des fibres végétales

De par leur composition physique et chimique, les fibres naturelles présentent des propriétés mécaniques très variables conférant ainsi à chaque type de fibre une utilisation bien spécifique. Cette propriété varie significativement en fonction de la morphologie des fibres, de leur composition chimique, de leur cristallinité, du degré de polymérisation de la cellulose ainsi que la méthode d’extraction des fibres.

De nombreuses études ont signalé une grande variabilité des propriétés mécaniques des fibres issues de la même espèce. Ce phénomène peut être lié à la variation naturelle et aux facteurs techniques (procédé d’extraction, méthode de mesure, etc.) Cette variation demeure une préoccupation cruciale des industries utilisatrices des fibres végétales.

Ainsi, les propriétés mécaniques des fibres végétales permettent de définir leur domaine d’application. Vu leur disposition au sein des matériaux composites, les paramètres les plus importants à étudier dans ce cadre sont l’allongement et la résistance à la rupture étant donné que les fibres sont sollicitées en traction dans la majorité des applications (tableau 4). Mais, l’étude des propriétés de flexion et de fatigue est également nécessaire dans certains cas.

Outre la grande dispersion des propriétés mécaniques à la traction, d’autres caractéristiques des fibres végétales constituent des inconvénients majeurs à leur utilisation comme renfort de polymères (Anandjiwala, 2008) :
✓ la nature hydrophile des fibres les rendant incompatibles avec les matrices polymères hydrophobes d’une part et d’autre part étant à l’origine de leur capacité à absorber plus ou moins d’humidité et responsable de leurs variations volumiques et de la diminution des propriétés mécaniques des composites ;
✓ la dégradation des fibres à des températures supérieures à 200°C limitant ainsi le choix de la matrice de par la température de fabrication des composites ;
✓ leur faible résistance microbienne et leur sensibilité à la pourriture posant de graves problèmes durant le transport, le stockage et la mise en oeuvre des composites.

Stabilité thermique des fibres cellulosiques

L’étude du comportement thermique des fibres lignocellulosiques est une étape très importante dans la caractérisation du fait qu’elle nous renseigne sur la composition d’un matériau. En effet, la pyrolyse des différentes substances s’effectue pour des températures variables.

Du point de vue thermique, la majorité des fibres végétales perdent leur rigidité dès 160 °C et on voit la lignine se dégrader aux alentours de 200 °C. Plusieurs auteurs ont observé des effets irréversibles comme l’augmentation de la dégradation avec l’oxydation et le changement de viscosité. De plus, la destruction de l’ordre cristallin n’apparaît qu’au-dessus de 320 °C par agitation thermique des molécules (Ninouh, 2019).

Paramètres influençant les propriétés des fibres végétales

Les propriétés des fibres végétales dépendent de deux facteurs ; les facteurs intrinsèques et les facteurs extrinsèques

Facteurs intrinsèques

Parmi ces facteurs intrinsèques, on note l’influence des conditions :
✓ Culturales de la plante pendant sa croissance (variété de semis, terrain, traitements phytosanitaires, engrais, maturité) ;
✓ Climatiques (saison, température, pluviométrie) et les étapes de l’extraction des fibres (séchage, rouissage, teillage, filature, traitements).

Par ailleurs, la géométrie des fibres testées a une influence sur les propriétés. En effet, il apparaît que le module d’Young a tendance à diminuer avec le diamètre moyen et la longueur de la fibre (Borchani et al., 2016).

Facteurs extrinsèques

Les paramètres extrinsèques, tels que les techniques d’extraction des fibres, les traitements chimiques, mécaniques ou biologiques ainsi que les réglages des paramètres des procédés, les conditions d’essai (humidité, température, vitesse de sollicitation), ou encore les méthodes d’analyses (déformation, section), sont autant de facteurs pouvant avoir une influence importante sur les résultats (Baley, 2008).

1 – Fibres végétales : Classification, Structure et Composition Chimique

3 – Fibres végétales : Bambou et Palmier Dattier

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