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Fibres végétales : quels traitements pour améliorer les propriétés mécaniques ?

Des modifications de compositions et de propriétés sont appréhendées à plusieurs échelles structurales

analyse d’image appliquée à des fibres lignocellulosiques raffinées mécaniquement © BIA
Mis à jour le 05/07/2019
Publié le 26/06/2019

Les fibres naturelles, notamment les fibres lignocellulosiques comme le chanvre et le lin, sont de plus en plus utilisées pour la réalisation d’éco-composites. On les trouve en particulier dans le secteur des transports terrestres, où l’industrie automobile en tire avantage pour renforcer et alléger des pièces d’équipement. La qualité des éco-composites dépend fortement des  propriétés mécaniques des fibres, mais les raisons qui expliquent leurs améliorations restent mal comprises. De plus, contrairement aux fibres synthétiques traditionnellement utilisées dans les composites, les fibres naturelles peuvent avoir des formes tortueuses et fortement ramifiées, qui impactent les propriétés finales des matériaux. Cette morphologie dépend des pré-traitements physiques et / ou chimiques appliqués aux fibres.

L’objectif de ces travaux est d’identifier les liens entre les pré-traitements appliqués aux fibres, leurs propriétés, notamment leur morphologie, et les propriétés mécaniques des matériaux composites obtenus.

La morphologie des fibres a été quantifiée par des outils d’analyse d’image automatisée. Avec ces objets, nous pouvons faire face à une dispersion conséquente des  formes et morphologie entre eux. Il est donc nécessaire de chercher des descriptions statistiques de l’ensemble des populations de fibres, c’est-à-dire sur des milliers d’objets. Cette description s’effectue à chacune des étapes de la transformation des matériaux, par exemple lors de mélange avec des matrices polymériques grâce à des procédés thermomécaniques. Ces descriptions statistiques ont été analysées conjointement avec d’autres méthodes analytiques classiquement utilisées pour décrire la microstructure des fibres. Ce sont par exemple la porosimétrie, qui renseigne sur les quantités et la distribution de taille des pores présents dans les objets fibreux. Mais aussi la composition chimique, la cristallographie aux rayons X et la nanoindentation, une pointe nanométrique qui va pénétrer la matière que quelques micromètres (cette dernière renseigne sur certaines propriétés locales à l’échelle de la paroi végétale des fibres). Nous avons mesuré une augmentation du nombre de ramifications des fibres végétales avec l’intensité d’un traitement thermomécanique. Ceci peut apporter un bénéfice dans l’accroche physique des fibres. Nous avons en revanche quantifié  une baisse de la rigidité des fibres avec ce traitement. L’ensemble des résultats constitue un jeux de donnée permettant de décider du ‘meilleur’ compromis à trouver pour une application recherchée (pièce automobile etc…).  

Analyse d’image appliquée à des fibres lignocellulosiques raffinées mécaniquement. A : segmentation d’une image d’un ensemble de fibres. B : étude de la ramification par extraction du squelette de la fibre. Les points rouges correspondent aux jonctions, les points bleus aux extrémités, et les traits noirs aux lignes médianes du squelette des fibres. © Inra, J. Padovani, J. Beaugrand, D. Legland
Analyse d’image appliquée à des fibres lignocellulosiques raffinées mécaniquement. A : segmentation d’une image d’un ensemble de fibres. B : étude de la ramification par extraction du squelette de la fibre. Les points rouges correspondent aux jonctions, les points bleus aux extrémités, et les traits noirs aux lignes médianes du squelette des fibres © Inra, J. Padovani, J. Beaugrand, D. Legland

La complémentarité des équipes de recherches impliquées nous a permis une investigation plus approfondie des caractéristiques intrinsèques des fibres. Un résultat majeur a été de de mieux comprendre l’impact des traitements hydromécaniques, très utilisés avec les fibres naturelles, sur leur intégrité physique. Par exemple, les fibres voient la cristallinité de leur cellulose, composant majoritaire de ces fibres, augmenter très significativement (de 49 à 59 %) et dans le même temps les ramifications latérales augmenter considérablement.

L’enjeu à terme est de pouvoir ajuster les paramètres du traitement des fibres par le raffineur afin d’allier le double enjeu de créer de la fibrillation et de préserver au mieux la longueur des fibres. C’est un enjeu scientifique important pris en compte par le département scientifique CEPIA de l’Inra. En effet, il s’agit à la fois d’intérêts économiques et environnementaux, mais aussi d’interrogations plus fondamentales sur les relations composition-structure-propriétés mécaniques qui se retrouvent dans ce travail de recherche.

Partenaires : cette étude a été menée par les unités BIA et FARE en collaboration avec l’unité R&D AgroBiotechnologies Industrielles – AgroParisTech, l’Université de Reims Champagne-Ardenne, le Centre for Natural Material Innovation, University of Cambridge, et l’Université de Bretagne Sud - IRDL

Financement : cette étude a été financée par BPI France, au travers du projet Investissement d’Avenir SINFONI « Structuration de la filière fibres techniques végétales Lin et Chanvre à usage matériaux »  

Publication associée : Justine Padovani, David Legland, Miguel Pernes, Antoine Gallos, Céline Thomachot-Schneider, Darshil U. Shah, Alain Bourmaud, Johnny Beaugrand. (2019). Beating of hemp bast fibres: an examination of a hydro-mechanical treatment on chemical, structural, and nanomechanical property evolutions, Cellulose (2019) 26: 5665. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02456-3

Contact(s)
Contact(s) scientifique(s) :

Département(s) associé(s) :
Caractérisation et élaboration des produits issus de l’agriculture
Centre(s) associé(s) :
Pays de la Loire, Grand Est - Nancy