Fibres végétales modifiées

Pour améliorer l’adhésion entre la matrice de PLA et les fibres naturelles, l’utilisation de différents traitements chimiques des fibres a été envisagée dans le but d’influencer favorablement les propriétés mécaniques et thermiques des matériaux composites. Seules quelques études consacrées à la modification des fibres naturelles avec du silane puis incorporation de ses fibres dans la matrice de PLA seront présentées.

Cette famille (silane) de réactif est de plus en plus utilisée dans les modifications de surface des fibres de cellulose, car à la base ils sont utilisés en quantités importantes pour l’ensimage du verre. De plus, ces agents de couplage sont simples d’utilisation. Contrairement aux anhydrides et isocyanates, les silanes possèdent dans la plupart des cas des fonctions hydrolysables de type alcoxy, qui après hydrolyse leur permettent de s’adsorber facilement à la surface des fibres par le biais de liaisons hydrogène [95]

Ainsi, pour augmenter les propriétés des composites PLA/fibres végétales, Huda et al. [134] ont étudié l’effet du traitement des fibres de kénaf avec de l’hydroxyde de sodium et du 3- aminopropyltriéthoxysilane (APS) comme agent couplant. Les groupes éthoxy de l’APS peuvent être hydrolysés dans l’eau et d’autres solvants pour produire du silanol. Ce dernier réagit avec le groupe OH des fibres de kénaf pour former une liaison covalente stable à la paroi cellulaire qui s’adsorbe à la surface des fibres suivant la réaction de la figure 1.23. Durant le traitement de surface, l’APS s'hydrolyse et les groupements résultant du silanol peuvent être combinés avec la surface des fibres de kénaf. Les groupements amines de l’APS peuvent former des liaisons hydrogène aux sites COO de la chaine du PLA hydrolysée. Ces auteurs ont précisé que l’APS a été choisi comme agent couplant, car Dupraz et al. [135] ont suggéré que l’APS a la capacité de former des liaisons avec le PLA.

Zhang et al. [136] ont choisi également l’APS pour cette même raison, pour la modification des particules de verre bioréactives avant leur incorporation dans la matrice de PLA.

Figure 1.23 : Réaction hypothétique entre le silanol et la fibre [134]

Pour le traitement de surface des fibres de kénaf, 5 % en masse d’APS (rapporté à la masse de fibres) a été dissout dans un mélange eau / éthanol (40/60 % en masse). Le pH de la solution est ajusté à 4 en utilisant de l’acide acétique et celle-ci est agitée continuellement pendant 1 heure, puis les fibres sont imbibées pendant 3 heures dans la solution. Les fibres sont ensuite lavées et séchées à 80 °C pendant 12 heures.

Dans cette étude, la mise en œuvre du PLA/fibre de kénaf a été effectuée par moulage par compression. Les résultats de l’étude ont montré que l’agent couplant type silane améliore la compatibilité entre la fibre et le PLA. Les propriétés mécaniques et thermomécaniques des composites PLA/kénaf sont plus élevées comparées à celles de la matrice de PLA seul. Ceci est causé par une amélioration de l’interaction interfaciale, ayant pour résultat une rigidité en flexion élevée. En outre, le traitement de surface des fibres permet d’avoir des composites aux propriétés mécaniques plus élevées (rigidité) comparés aux composites réalisés avec les fibres non traitées.

Shih et al. [137] ont étudié le renforcement du PLA par des fibres de bambou recyclées. Dans un premier temps, les fibres sont lavées avec du détergent puis traitées dans une solution de soude (NaOH). Dans un second temps, les fibres (5 gr) sont traitées à la surface dans une solution de silane (triéthoxyvinylsilane) (0,5 gr) dans un volume approprié d’acétone. Après agitation pendant une demi-heure, le mélange est gardé pendant 12 heures à température ambiante. Les échantillons sont ensuite lavés avec de l’acétone puis séchés à 80°C dans une étuve à poids constant. Le PLA est ensuite mélangé avec les fibres modifiées (20 %, 40 % et 60 % en masse) à l’aide d’un mélangeur interne. Dans cette étude, les auteurs montrent plus l’effet de l’amélioration des propriétés mécaniques (résistance à la traction) et de la Tg en fonction du taux de fibres utilisé que l’effet du silane sur l’adhésion

de fibre est plus faible que celle du composite à 40 % de fibre laissant penser que l’adhérence fibre/matrice est plus faible dans le composite réalisé à 60% de fibres. Ces auteurs citent les travaux de Botev et al. [138] qui ont constaté que l’incorporation des fibres courtes de basalte non traitées dans une matrice de PP diminuait la Tg en raison de la faible

adhérence entre la fibre et la matrice. Néanmoins, la modification des fibres par du silane a été confirmée par analyse de spectre d’infrarouge (FTIR) et l’adhésion fibre/PLA par microscopie. Cependant, l’adhésion fibre/matrice est faible pour un taux de fibre de 60 %. Cette détérioration est due à une quantité insuffisante de polymère PLA pour enrober et lier les fibres.

Yu et al. [139] ont étudié des composites de PLA/fibres de ramie par moulage en compression. Les fibres de ramie ont subi un traitement alcalin (hydroxyde de sodium) ainsi qu’un traitement avec deux silanes de fonctionnalités différentes (3-aminopropyltriéthoxy silane et g-glycidoxypropyltriméthoxy silane). Les silanes sont dilués à une concentration de 6 % (en masse) dans l’acétone. Les fibres sont immergées dans la solution de silane pendant 24 heures puis lavées avec de l’acétone et étuvées à 60 °C durant 4 heures pour supprimer l’excès de solvant. Le résultat de cette étude montre que le traitement de surface améliore la compatibilité entre la matrice de PLA et les fibres. Les propriétés mécaniques et thermomécaniques des composites avec les fibres traitées sont meilleures que celles du PLA seul ainsi que des composites à fibres non traitées. Ces améliorations sont dues à l’augmentation de l’adhésion interfaciale entre le PLA et les fibres de ramie. Selon les résultats des propriétés mécaniques et thermomécaniques des composites réalisés, le traitement alcalin (hydroxyde de sodium) est plus efficace comparé aux traitements réalisés avec les deux silanes. Cependant, la température de dégradation thermique des composites réalisés avec les fibres modifiées avec les silanes est meilleure que celle de ceux réalisés avec les fibres modifiées avec de l’hydroxyde de sodium. De plus, la température de dégradation thermique des composites avec le traitement de surface est plus élevée que celle de ceux non traités ainsi que du PLA seul. La liaison chimique entre la matrice PLA et la fibre de ramie pourrait augmenter l’adhésion interfaciale et donc, améliorer la stabilité thermique du composite. Le pic de cristallisation à froid du composite diminue avec l’addition de la fibre non traitée, et même disparaît avec l’addition de la fibre traitée. La température de fusion est plus élevée avec l’ajout de la fibre traitée. Ceci peut être également attribué à la forte interaction interfaciale entre la matrice de PLA et la fibre de ramie. Les auteurs ont cité les travaux de Lee et al. [140] où l’effet des fibres de bambou traitées avec de la lysine diisocyanate (LDI) sur le taux de cristallisation du PLA a été démontré.

D’autres études à propos du greffage du PLA ou des fibres naturelles ont été réalisées toujours dans l’optique de compatibiliser le polymère avec des fibres naturelles comme les fibres de coco [141], de kénaf [142], de jute [143], de bananier [144] etc. Toutes ses études reposent sur la capacité du renforcement des fibres sur les propriétés du PLA.

Comme explicité précédemment, les fibres végétales sont appropriées au renforcement des plastiques. Cela est dû à leur rigidité et leur résistance relativement élevées ainsi qu'à leur faible densité. Elles apportent de nombreux avantages (ressource renouvelable, moins abrasif que le verre, biodégradable, etc.) aux matières plastiques avec lesquelles elles sont liées, comparées aux fibres de verre. Cependant, la nature hydrophile des fibres cellulosiques et lignocellulosiques est un problème majeur pour le renforcement des matières plastiques. Néanmoins, des traitements spécifiques de la fibre permettent de surmonter ce problème, comme dans le cas du traitement de certaines fibres naturelles par du silane plus précisément le g-aminopropyltriéthoxysilane (APS) afin d'améliorer les propriétés caractéristiques des composites de PLA. La température de mise en œuvre de ces fibres est également limitée (ne pas excéder 200 °C environ), mais s'avère suffisante pour la fabrication des biocomposites de PLA.

Ainsi, cette partie de la bibliographie nous dicte la façon de procéder pour obtenir des propriétés significatives lors de la fabrication des composites de PLA. De plus, l'incorporation de fibres naturelles dans la matrice de PLA pourrait servir d'agent de nucléation pour la fabrication des mousses composites à base de PLA.

La partie suivante sera consacrée à la définition des matériaux plastiques alvéolaires, leurs mises en œuvre ainsi qu'à l'étude des propriétés du PLA et des composites de PLA alvéolaires.