Cet article fait référence au chapitre 2 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
Matériau composite
Un matériau composite est défini comme étant un assemblage d’au moins deux constituants non miscibles, mais ayant chacun un forte capacité d’adaptation. Les qualités respectives des constituants se complètent pour former un matériau aux performances mécaniques, thermiques et/ou physico-chimiques améliorées.
Il est possible de moduler les propriétés d’un composite en fonction du besoin spécifié. L’adaptabilité de ces matériaux en fait un atout majeur et les place en position concurrentielle des matériaux traditionnels (métaux, alliages, etc.).
Un matériau composite est constitué d’un renfort et d’un liant appelé couramment matrice. Le renfort, comme son nom l’indique, va assurer la tenue mécanique du composite. La matrice pour sa part, assure la cohésion entre les différents éléments et gère les flux d’efforts, tout en garantissant la tenue à l’environnement et à la température.
Ainsi donc, ce chapitre présente les matériaux composites renforcés par les fibres végétales, c’est-à-dire ; les caractéristiques, la classification, les propriétés mécaniques, leurs avantages et les inconvénients. Ce chapitre se termine par une brève revue bibliographique sur les domaines d’applications des matériaux composites renforcés par les fibres végétales.
Matériau composite : Caractéristiques
D’une manière générale, un matériau composite est un produit constitué d’au moins deux matériaux l’un étant un renfort et l’autre un liant (ou matrice) unissant les deux matériaux. En plus de ces deux constituants de base, il faut ajouter une interface qui assure la compatibilité renfort-matrice et transmet les contraintes de l’un à l’autre (Benmeddour, 2012.
La quantité, la position et l’orientation des renforts ainsi que la sélection de la matrice sont des aspects critiques de la conception du produit et de son développement. Ces paramètres doivent être optimisés pour améliorer constamment le produit (Rouam, 2014).
Les propriétés des matériaux composites résultent (Benmeddour, 2012) :
✓ des propriétés des matériaux constituants ;
✓ de leur distribution géométrique ;
✓ de leur interaction.
Classification des matériaux composites
Suivant la nature des constituants
Selon la nature de la matrice, nous avons : des composites à matrice organique, à matrice métallique ou à matrice minérale. Divers renforts sont associés à ces matrices. Seuls certains couples d’associations ont actuellement un usage industriel, d’autres faisant l’objet d’un développement dans les laboratoires de recherche (Rouam, 2014). Le tableau 9 résume la classification selon la nature de la matrice et le type de renfort qui lui conviennent.
Composites à matrices céramiques
Sont utilisés lorsque les températures sont supérieures à 1000 °C. Dans ce type de composite,le renfort est généralement constitué de fibres longues en carbone, en silice ou en carbure desilicium, assemblées par tissage multidimensionnel. Ce renfort poreux est infiltré par la matrice(carbone, silice, carbure de silicium) qui se trouve soit en phase liquide soit en phase gazeuse.
La dernière étape d’élaboration consiste à densifier le composite par frittage sous haute pression à haute température. Ces matériaux sont développés essentiellement dans le domaine aérospatial (disques de frein, tuyères, volets, tuiles ablatives, etc.), le spatial, le nucléaire, le militaire, et le freinage (freins carbone) en raison de leur haute résistance thermomécaniquespécifique (Benmeddour, 2012).
Composites à matrices métalliques
Pour des applications de haute température jusqu’à 600 °C. Les métaux ou alliages métalliques, utilisés dans la fabrication des composites à matrices métalliques, sont généralement choisis en fonction de leurs propriétés spécifiques dans l’état non renforcé. Ainsi, l’aluminium, le titane et le magnésium sont les métaux les plus couramment utilisés.
Les procédés de fabrication des composites à matrices métalliques diffèrent selon que la matrice se trouve, lors de l’introduction des renforts, à l’état liquide (forgeage liquide, fonderie moyenne pression, …), dans un état semi-solide (remoulage) ou dans l’état solide (métallurgie des poudres). Les composites à matrices métalliques présentent de bonnes caractéristiques mécaniques spécifiques, une bonne résistance en température et aux chocs thermiques ainsi qu’une bonne résistance à l’usure et à l’abrasion.
Toutes ces aptitudes sont mises à profit dans la fabrication de pièces de structure (carters, insert, etc.) et d’organes fonctionnels (bielles, soupapes, etc.) travaillant à haute température (Benmeddour, 2012).
Composites à matrices organiques
L’utilisation des composites à matrices organiques reste limitée au domaine de températures inférieures à 200 °C. Deux types de matrices sont utilisés : les thermodurcissables et les thermoplastiques (Benmeddour, 2012).
Comparaison des matrices thermodurcissables et thermoplastiques (Abdelmajid, 2019). Le tableau 10 donne la comparaison des différentes caractéristiques des matrices thermodurcissables et matrices thermoplastiques.
(Abdelmadjid, 2019)
Parmi les avantages de ces deux matrices, on cite la basse viscosité des thermodurcissables avant leur mise en forme ainsi que leur haute résistance thermique.
✓ Les matrices thermodurcissables
La structure des matrices thermodurcissables a la forme d’un réseau tridimensionnel qui se ponte (double liaison de polymérisation) pour durcir en forme de façon définitive, lors d’un échauffement. La transformation est donc irréversible. Le tableau 11 nous donne les caractéristiques des matrices thermodurcissables.
| Résines | Densité | Module de Young (MPa) | Contrainte à la rupture (MPa) | Température maximale (°C) |
| Epoxyde (Epoxy) | 1,2 | 4,5 | 130 | 90-200 |
| Uréthane | 1,1 | 0,7-7 | 30 | 100 |
| Polyester insaturé | 1,2 | 4 | 80 | 60-200 |
| Urée formaldéhyde | 1,2-1,5 | 6-10 | 40-80 | 140 |
| Phénol formaldéhyde | 1,1-1,3 | 3-4 | 35-60 | 80-300 |
Comme nous pouvons le constater dans le tableau 11 ; la densité, le module de Young, la contrainte à la rupture et ainsi que la température maximale de travail, varient en fonction des types des résines pour les matrices thermodurcissables.
✓ Les matrices thermoplastiques
Les polymères thermoplastiques sont dérivés de monomères linéaires ou légèrement ramifiés constituant le motif de base d’une chaine. Trois techniques de préparation des thermoplastiques sont couramment identifiées : la polymérisation, la copolymérisation et/ou la polycondensation.
Sous l’effet de la température, les thermoplastiques deviennent de plus en plus malléables jusqu’à ce qu’ils deviennent liquéfiés (Abdelmajid, 2019).
La structure des thermoplastiques se présente sous forme de chaînes linéaires, il faut les chauffer pour les mettre en forme (les chaînes se plient alors), et les refroidir pour les fixer (les chaînes se bloquent). Cette opération est réversible (Benmeddour, 2012). Le tableau 12 donne les caractéristiques des matrices thermoplastiques.
| Polymère | Tg (°C) | Tf (°C) | Densité | 𝝈𝒓 (𝑴𝑷𝒂) | E (GPa) |
| PP | 5 | 165 | 0,92 | 30 | 1,2 |
| PLA | 50-60 | 150 | 1,25 | 40-60 | 3-4 |
| HDPE | -100 | 134 | 0,95 | 28 | 1,1 |
| PVC | 75-105 | 160-220 | 1,39 | 58 | 2,9 |
| PS | 90-100 | – | 1,05 | 55 | 3,2 |
| PET | 70 | 255-265 | 1,30 | 47 | 2,6 |
| ABS | 90-120 | – | 1,05 | 50 | – |
Suivant la forme des constituants
En fonction de la forme des constituants, les composites sont classés en deux classes :
✓ Les matériaux composites à particules ; ✓ Les matériaux composites à fibres.
Composites à particules
Un matériau composite est un composite à particules si le renfort se trouve sous forme des particules. Une particule par opposition aux fibres, ne possède pas de dimension privilégiée.
Les particules sont généralement utilisées pour améliorer certaines des propriétés des matériaux ou des matrices, comme la rigidité, la tenue, la résistance à l’abrasion, la diminution de retrait etc. Dans de nombreux cas les particules sont simplement utilisées comme charges pour réduire le coût du matériau sans en diminuer les caractéristiques (Rouam, 2014).
Composites à fibres
Un matériau composite est à fibres si le renfort se trouve sous forme de fibres. Les fibres utilisées se présentent sous forme des fibres continues, soit sous forme des fibres discontinues, fibres courtes, fibres coupées, etc.
L’arrangement des fibres et leur orientation permettent de moduler à la carte les propriétés mécaniques des matériaux composites, pour obtenir des matériaux allant de matériaux fortement anisotropes à des matériaux anisotropes dans un plan. L’importance des matériaux composites à fibres justifie une étude exhaustive de leurs comportements mécaniques (Rouam,2014).
Propriétés des composites à renfort des fibres végétales
Les propriétés des matériaux composites à renfort des fibres végétales sont intimement liées aux propriétés de chacun de leurs constituants (matrice et renfort), et ces propriétés sont régies par différents paramètres : le rapport d’aspect des fibres, leur fraction volumique, leur orientation, leur dispersion, l’effet de l’humidité, ainsi que l’adhésion fibre/matrice. Chacun de ces paramètres va avoir un lien direct sur les performances du composite (Amaury et al., 2017).
Rapport d’aspect des fibres (L/d)
Les performances mécaniques des composites dépendent étroitement de la gestion des flux d’effort au sein du matériau. Lorsque le composite est soumis à une contrainte, la matrice est la première à être affectée avant de transmettre la contrainte au renfort. Plus le flux d’effort sera soumis efficacement de la matrice vers le renfort, meilleures seront les propriétés mécaniques du composite.
Pour optimiser cette gestion de flux, il faut maximiser les interactions fibre/matrice tout en améliorant la qualité de cette adhésion. Il a été démontré que plus le rapport d’aspect (longueur/diamètre) des fibres est important, meilleur est le transfert des flux d’effort au sein du matériau composite (Amaury et al., 2017). Les fibres courtes présentent un excellent rapport d’aspect ainsi qu’une très grande surface spécifique, ce qui devrait permettre un effet de renforcement très intéressant.
Fraction volumique
La fraction volumique des fibres est un autre paramètre important à prendre en compte. De manière générale, plus la teneur en fibres dans le composite est importante, meilleures seront les propriétés mécaniques. Néanmoins, il faut tenir compte de la longueur des fibres utilisées.
Le fait de maintenir une fraction volumique élevée avec des petites fibres entraine une augmentation du nombre d’extrémités, or ces extrémités agissent comme des initiateurs de fissures. A l’inverse, il faut éviter de travailler avec des fibres trop longues (> 10 mm), sous peine de les voir se replier et s’enrouler sur elles-mêmes pendant le mélange. Dans tous les cas, une valeur de fraction volumique trop importante détériore les propriétés mécaniques du matériau composite. Au-delà d’une certaine valeur, les fibres ont tendance à s’agglomérer, il en résulte une mauvaise dispersion (Pandey, 2010).
Orientation
L’orientation des fibres a un effet significatif sur les propriétés mécaniques des matériaux composites. Car les fibres sont rarement orientées dans les matériaux composites en une seule direction, laquelle est nécessaire pour que les fibres donnent un effet de renforcement maximal. Le degré de renforcement dans les composites à base des fibres, dépend beaucoup plus de l’orientation individuelle de chaque fibre par rapport à l’axe d’étirement.
En effet, il est rapporté que le module d’Young, le coefficient de Poisson et la résistance à la traction des matériaux diminuent en fonction du degré d’orientation des fibres (Ben et al.,2007). Les fibres de cellulose possèdent une importante résistance dans le sens de la longueur. Celleci est nettement plus faible dans les autres directions, d’où la nécessité d’aligner au maximum les fibres dans le sens de la longueur lors de la formulation des composites.
Dispersion des fibres
La dispersion des fibres de cellulose au sein de la matrice polymère est un élément clé à prendre en compte. Du fait de leur caractère polaire, les fibres ont tendance à s’agglomérer lorsqu’elles sont mélangées avec une matrice apolaire. Il en résulte un composite hétérogène, avec des zones riches en fibres de cellulose et d’autres riches en matrice, ce qui va nuire aux performances du composite. Il est donc impératif d’avoir une bonne dispersion des fibres de cellulose, celles-ci doivent être bien séparées les unes des autres et chaque fibre doit être enrobée par la matrice.
Les interactions fibre/fibre, ainsi que la longueur des fibres, vont influencer directement la dispersion de ces dernières. En effet, plus la longueur des fibres est importante et plus les interactions fibre/fibre sont intenses, plus elles vont s’enchevêtrer et s’agglomérer entre elles. Le choix de la voie de formulation est important pour limiter ce genre de phénomène (Nanou et al., 20220).
Taux de renfort
L’augmentation du pourcentage de renforts améliore quasi systématiquement la rigidité d’un composite. Cependant, une trop grande quantité de renforts implique une adhésion plus difficile qui conduit à une baisse de performances dans certains cas. D’après la littérature, il est assez peu fréquent de trouver des composites fabriqués qui contiennent un pourcentage de fibres supérieur à 30 %, sans rencontrer de nombreuses difficultés lors du moulage. Plusieurs études ont montré qu’à partir d’un taux de 30 % en fibres, le matériau devient rugueux et la surface présente des ruptures (Lisa, 2019).
Influence de l’humidité
Le séchage des fibres avant renforcement est une opération importante car l’eau présente à la surface de la fibre agit comme un agent de détérioration de l’adhérence à l’interface fibre/matrice. Cet aspect est d’autant plus important que des vides ou pores naissent dans la matrice pendant la polymérisation. Ainsi donc les propriétés mécaniques des composites renforcés par des fibres naturelles peuvent être réduites en grande partie dans des conditions humides.
C’est une préoccupation profonde car il y a des potentielles d’applications extérieures, où l’absorption d’humidité peut avoir une influence significative sur ces matériaux. Les liaisons entre les fibres naturelles (qui contiennent l’hydroxyle et d’autres groupes polaires) et les matrices relativement hydrophobes de polymère seraient affaiblies avec la prise d’eau élevée.
L’interface affaiblie va causer la réduction des propriétés mécaniques des composites. Par conséquent, l’effet de l’humidité sur les propriétés mécaniques est essentiel pour les applications des composites renforcés par des fibres naturelles. À cet égard, la résistance à l’eau de ces matériaux a pu être améliorée par la modification des fibres (Chow, 2007). La figure 12 illustre le mode d’adhésion inter-fibres dans le cas des liaisons hydrogènes.
Adhésion fibres/matrice
Comme nous l’avons dit ci-haut, les propriétés des matériaux composites sont intimement liées aux propriétés de chacun de leurs constituants, mais également à l’interface fibre/matrice. Or, la nature hydrophile des fibres naturelles due à la présence de groupes hydroxyle et de leur polarité les rend incompatibles avec la plupart des polymères hydrophobes engendrant une baisse des propriétés mécaniques des composites (Pandey et al.2010). En effet, une adhésion de qualité à l’interface est nécessaire pour un transfert de contrainte efficace. De plus, les fibres naturelles hydrophiles et le caractère hydrophobe des polymères conduisent à des difficultés de dispersion des fibres dans la matrice, ces dernières créant des liaisons hydrogènes entre elles (Graupner, 2009).
Pour améliorer la compatibilité entre le polymère et les fibres naturelles, mais aussi réduire leur absorption en eau, la surface des fibres peut être modifiée par des méthodes physiques, chimiques ou enzymatiques (Faruk et al., 2012).
Traitements physiques
Les méthodes physiques, telles que les traitements thermiques (pyrolyse, autoclave, etc.), le laser, les rayons gamma, les ultra-violets, le traitement plasma, traitement corona, etc., modifient principalement les propriétés structurelles et de surface de la fibre et influencent ainsi les liaisons mécaniques avec les polymères. Ils influent peu sur la composition chimique des fibres. L’interface est donc généralement améliorée par une meilleure adhérence mécanique entre la fibre et la matrice (Faruk et al., 2012).
Traitements chimiques
Comme les fibres naturelles se composent majoritairement de groupements hydroxyle, elles se prêtent bien à une modification chimique. Les traitements chimiques permettent de nettoyer la surface de la fibre, de modifier la chimie de la surface, d’abaisser l’humidité et d’augmenter sa rugosité en vue d’améliorer les propriétés d’interface fibre/matrice (Malha, 2013). Plusieurs procédés peuvent être envisagés : l’imprégnation, le couplage, le greffage, l’acétylation, le traitement alcalin, etc.
Traitement enzymatique
Les traitements enzymatiques sont considérés comme une alternative prometteuse pour la modification de surface des fibres naturelles (Faruk et al., 2012). En effet, ce type de traitement biologique :
- S’inscrit dans une démarche respectueuse de l’environnement et de la santé, les enzymes étant des protéines donc totalement biodégradables et non-toxiques,
- se montre efficace sur l’extraction des composés non-cellulosiques de par la spécificité d’action des enzymes.
D’autres avantages de la technologie enzymatique ont été relevés, entre autres : la réduction du coût des traitements, les économies d’eau, d’énergie et l’amélioration de la qualité du produit traité (Aehle, 2006). En vue de l’amélioration interfaciale fibres végétales/matrice, on utilise les enzymes ligninolytiques, hémicellulolytiques et pectinolytiques.
Toutefois, la réticence des industriels à utiliser ce type de traitements comparativement aux traitements chimiques et physiques est due à leur longue durée d’action (Isroi et al., 2011).
Bibliographie
Présente sur la seconde partie de l’introduction
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.
