L’adhésion bois/thermoplastique

Bien que l’adhésion interfaciale entre les fibres naturelles, en général, et les matrices thermoplastiques fût largement étudiée, plusieurs points demeurent en controverse autour des mécanismes d’adhésion. En effet, une large partie des recherches admettent que ni le principe d’adhésion par ancrage mécanique ni l’établissement des liaisons covalentes, qui sont largement adoptées pour expliquer l’adhésion bois/polymère thermodurcissable, ne peuvent être valides dans le cas de mélange des fibres de bois et de polymère thermoplastique. Par contre, certaines recherches admettent que les propriétés de l’interface ainsi que les performances du matériau composite sont la résultante des interactions spécifiques qui s’établissent entre les deux phases (Bledzki et al., 1996; Kazayawoko et al., 1999a; Dányádi et al., 2007). Peu d’études ont fait allusion au modèle d’adhésion par ancrage mécanique dans le cas de composites bois/thermoplastique. Smith et al. (2002) ont étudié l’interaction mécanique entre le bois et un adhésif thermoplastique (un mélange de propylène isotactique et éthylène-propylène copolymère). Ils ont conclu que le système adhésif-

adhérant ne peut être expliqué que par la théorie d’adhésion mécanique appliquée à des surfaces rugueuses et poreuses. Récemment, Escobar (2008) a étudié l’interaction physique entre matrice thermoplastique et bois massif. Les résultats ont montré une forte corrélation entre le diamètre et le nombre des ponctuations, d’une part, et la mobilité du thermoplastique à l’intérieur des porosités, d’autre part. De plus, l’auteur a identifié les affaissements dans certaines essences de bois comme possible facteur qui limite la pénétration du thermoplastique et donc les propriétés de l’interface. Etant donné la non-compatibilité, due à la faible énergie libre de surface des éléments de renfort et du polymère (Chtourou et al., 1992; Bledzki et al., 1998b; Kazayawoko

et al., 1999a), les interactions chimiques demeurent très faibles entre les deux

composants. En conséquence, l’amélioration de l’interface est une piste inévitable pour l’amélioration des performances du composite. La modification de l’état de surface des fibres naturelles, en général, et des fibres de bois en particulier reste la principale voie pour l’amélioration de l’interface. La modification des fibres de bois a fait l’objet de plusieurs investigations et revues bibliographiques (Maldas et Kokta, 1991; Sain et al., 1994; Matuana et al., 1998; Kazayawoko et al., 1999a; Razi et al., 1999; Li et Matuana, 2003b). Plusieurs techniques ont été utilisées, ou au moins testées, afin d’améliorer l’interface. La modification chimique des fibres de bois consiste à substituer les groupements hydroxyles de la surface par des groupements fonctionnels d’un comptabilisant adéquat, tel que les copolymères greffés éthylène- anhydride maléique (MAPE). Cela dit, les modifications chimiques dans ce cas ne prennent pas en considération les imprégnations chimiques (imprégnation par des monomères qui se polymérisent in situ sans nécessairement établir des liaisons chimiques avec la paroi cellulaire), le revêtement et le traitement thermique (Rowell, 2004). Les polymères fonctionnalisés avec l’anhydre maléique sont souvent greffés au niveau de l’interface bois/thermoplastique de la façon suivante : les groupes fonctionnels interagissent fermement ou même réagissent chimiquement avec la surface du bois tandis que les longues chaînes alkyles se diffusent dans la matrice en

assurant un transfert adéquat de charge (Kazayawoko et al., 1997; Gauthier et al., 1998; Simonsen et al., 1998; Ellis et O'Dell, 1999; Ichazo et al., 2001; Mahlberg et

al., 2001a; Balasuriya et al., 2002; Li et Matuana, 2003a; Yuan et al., 2008; Zhang et al., 2009).

Des revues exhaustives des agents de couplages utilisés dans la fabrication des composites bois plastiques ont été réalisées. (Lu, 2003; Nabi Saheb et Jog, 1999). Une liste contenant plus de 40 agents de couplage a été spécifiée. En effet, on peut trouver : (i) les agents de couplage organiques tels que les isocyanates, les anhydrides, les amides, les imides acrylates, les chlorotriazines, les époxides, les acides organiques, les monomères, les polymères et les copolymères ; (ii) les agents de couplage inorganique, tels que les silicates et (iii) les agents de couplages organiques- inorganiques incluant les silanes, et les titanates (Lu, 2003). Les agents de couplage agissent comme un pont qui lie les fibres de bois à la matrice thermoplastique par un ou plusieurs des mécanismes suivants : liaisons covalentes, enchevêtrement avec la chaîne moléculaire du polymère, et fortes liaisons secondaires telles que les liaisons hydrogènes (Raj et al., 1988; Maldas et al., 1989a). Généralement, la structure moléculaire de l’agent de couplage comprend au moins deux groupes fonctionnels. En effet, une face comprend les groupes fonctionnels tels que (-N=C=O) des

isocyanates, [-(CO)₂ O-] des anhydrides maléiques, et (-Cl-) des dérivées de

diclorotriazine, interagissent avec les groupes hydroxyles (-OH) de la cellulose et de lignine pour former des liaisons covalentes ou des liaisons hydrogènes (Lu et al., 2000). Par l’autre face, les agents de couplage peuvent se lier à la matrice thermoplastique par greffage des copolymères sur la chaine moléculaire du thermoplastique. Ce type de mécanisme est typique des agents de couplage commercialisés et ils assurent un bon remède pour le manque de compatibilité entre les fibres de bois et les polymères synthétiques.

L’estérification est un autre type de prétraitement des fibres naturelles afin d’améliorer leur potentiel adhésif. Elle consiste à convertir les groupements hydroxyles de la surface des fibres en groupements esters grâce à une addition nucléophile d’un groupement anhydride. Toutefois, cette addition doit se faire en respectant la nature de la matrice thermoplastique afin d’assurer un bon rendement de la réaction d’estérification. Par exemple, l’anhydride maléique greffé à trans-1,4- isoprène pour la matrice du caoutchouc trans-1,4-isoprène, l’anhydride acétique pour la cellulose acétate butyrate, l’anhydride phtalique pour le polystyrène, l’anhydride maléique pour le styrène-éthylène-butylène et le MAPE pour le polyéthylène (Lu, 2003),(Kazayawoko et al., 1999a; Matuana et al., 2001; Li et Matuana, 2003b; Carlborn et Matuana, 2006). Les différents mécanismes d’adhésion qui peuvent avoir lieu dans un composite bois-thermoplastique sont donnés dans un tableau récapitulatif (tableau 2.3).