Fibres végétales non modifiées

L’effet de la fraction massique de kénaf (10 %, 20 % et 30 %) dans le composite PLLA/kénaf (PLLA/KF) sur le processus de cristallisation, sur la morphologie ainsi que sur les propriétés mécaniques a été étudié par Pan et al. [127].L’incorporation des fibres de kénaf améliore significativement le taux de cristallinité et les modules en traction et dynamique des composites. Cependant, la Tg de la matrice PLLA reste inchangée avec l’addition du kénaf

(tab. 1.11). Deux facteurs principaux contrôlent le processus de cristallisation dans un système composite, la nucléation et la migration des chaînes moléculaires. En effet, les

additifs, qui ont un effet nucléant, augmentent le taux de cristallisation, et ainsi ils ont une influence positive sur le degré de cristallinité. A l'inverse, les additifs qui ont un effet négatif sur la cristallisation, gênent la migration et la diffusion des chaînes moléculaires du polymère à la surface, ayant pour résultat une diminution du taux de cristallinité. Par exemple, dans le cas de fibres de kénaf, le tableau 1.11 montre qu’au-delà de 10 % en masse de fibres, le degré de cristallinité diminue, car les fibres "gênent" la migration et la diffusion des chaînes moléculaires du PLLA à la surface des nucléi dans les composites. Il est à noter également que pour 10 % de fibres, le taux de cristallinité du composite est supérieur à celui du PLLA vierge. Pan et al.[127] citent les travaux de Huda et al. [128] qui ont des résultats similaires dans le cas de composites de PLLA/cellulose (70/30 en masse). Le module en traction et dynamique a été amélioré de 30 % et 28 % respectivement, pour un renforcement de 30 % de fibres en poids. Néanmoins, les observations microscopiques indiquent que le taux de cristallinité et les propriétés mécaniques peuvent être encore améliorés en optimisant l’interface entre la fibre et la matrice de PLLA.

Sample Tg (°C) Tc (°C) DHc (J/g PLLA) Tm (°C) DHm (J/g PLLA) cc (%)

PLLA 58,4 97,7 -16,6 169,6 43,1 53,0 PLLA/KF (90/10) 58,2 101,4 -37,5 170,2 47,2 58,1 PLLA/KF (80/10) 58,3 102,6 -38,5 170,3 46,3 56,9 PLLA/KF (70/10) 58,5 103,2 -36,9 170,6 44,5 54,7

Tableau 1.11 : Analyse thermique en DSC du PLLA et des composites PLLA/kénaf [127]

Les propriétés morphologiques, thermiques et mécaniques des agro-composites PLLA/chanvre plastifiés (polyéthylène glycol PEG) et non plastifiés réalisés en mélangeur interne ont été également déterminées par Masirek et al. [129]. Les analyses thermogravimétriques, effectuées sous atmosphère d'azote et d'air, montrent que la dégradation des fibres précède celle du PLA, indépendamment de la présence de plastifiant. Sans plastifiant, le module élastique en traction déterminé sur des films réalisés en compression augmente (jusqu’à 5,2 GPa) considérablement dans le cas du PLA cristallisé (cristallisation du PLA entre deux blocs métalliques équipés d’un système de chauffe et de refroidissement) renforcé par 20 % en masse de fibres. Cependant, l’élongation et la contrainte à la rupture diminuent lorsque le taux de renfort augmente. En présence de plastifiant, la présence de fibres entraîne également une réduction de l’élongation à la rupture, spécialement dans le système avec une matrice amorphe : 1 % seulement en masse de fibres réduit l’élongation de 5,50 à 0,056 % (fig. 1.21a).

Figure 1.21 : Contrainte en fonction de la déformation pour le PLA, le PLA-PEG et les composites de PLA/chanvre et PLA-PEG/chanvre (a) échantillons amorphes (b) échantillons cristallisés [129]

Les propriétés mécaniques des composites de PLA contenant des fibres de cellulose microcristalline (MCC), de la farine et de la pulpe de bois ont été étudiées par Mathew et al. [110]. Une extrudeuse bi-vis a été utilisée pour disperser les mélanges contenant jusqu’à 25 % en poids de fibres. Une vitesse de vis de 250 tr/min et un profil de température allant de 170 °C à 200 °C ont été utilisés pour l’extrusion. Puis, les matériaux ont été mis en forme par moulage par injection. L’étude montre que la MCC, qui existe sous forme d’agrégats (nano- fibres/whiskers), ne se désagrège pas lors du procédé de mélange. Cependant, une bonne dispersion des fibres dans la matrice du PLA a été observée. De plus, le module en traction augmente légèrement avec le taux de MCC (3,6 GPa pour le PLA contre 5 GPa pour le composite à 25 % en masse de MCC), alors que la résistance et la déformation à la rupture sont plus faibles que celles du PLA pur. De plus, les composites de PLA/farine de bois et de PLA/pulpe de bois possèdent une rigidité plus élevée comparée aux composites réalisés avec les fibres de cellulose microcristalline (fig. 1.22). Les auteurs ont attribué ce phénomène à une faible adhésion interfaciale entre les différentes phases, qui a été observée en microscopie électronique à balayage (MEB). Cependant, tous les composites ont une résistance et un allongement à la rupture plus faible comparés au PLA seul. La diminution des propriétés (plus particulièrement les allongements) est une tendance commune aux composites thermoplastiques [130].

Figure 1.22 : Résistance à la traction du PLA et des composites avec 25% en masse de farine de bois (WF), de pulpe de bois (WP) et de cellulose microcristalline (MCC) [110]

L’influence de différents types de renforts de cellulose sur la cristallinité des composites de PLA a été également étudiée par Mathew et al. [131]. Ils ont démontré que la cellulose microcristalline (MCC) et la farine de bois ont un meilleur potentiel en tant qu’agent nucléant comparé à des fibres de cellulose (98 % de pureté). Cela permet d’atteindre un degré de cristallinité plus élevé. Les différences dans la capacité de nucléation des trois fibres cellulosiques mènent à la conclusion que, dans les composites de PLA, la topographie de la surface des fibres est le facteur décisif au développement de la cristallinité.

Utilisant le même procédé de mise en œuvre que Mathew et al. [110], Oksman et al. [80] ont étudié l’effet de l’incorporation des fibres de lin (30 % à 40 % en masse) dans le PLA. Ils ont démontré que la rigidité du PLA a augmenté de 3,4 à 8,4 GPa (module d’Young en flexion), ainsi qu’une amélioration des propriétés thermiques du PLA avec une addition de 30 % en poids de fibres de lin. Le composite de PLA/fibres de lin possède une résistance à la traction de 50 % plus élevée comparée aux composites de polypropylène/fibres de lin habituellement employés dans beaucoup d’applications industrielles (automobile). En revanche, l’adhérence du PLA/fibres de lin nécessite d’être améliorée pour pouvoir optimiser les propriétés mécaniques du composite, un problème qui est bien connu pour les mélanges de fibres naturelles avec les polymères synthétiques.

Des composites de PLA réalisés avec des fibres de bois (WPC) ont été également étudiés [132]. L’addition de différents taux de farine de bois implique une amélioration de la résistance à la flexion de 98,8 à 114,3 MPa. Le module élastique augmente proportionnellement à mesure que la quantité de fibres augmente. Cependant, la stabilité thermique diminue avec l’augmentation du taux de fibres.

L’influence des fibres de verre et des fibres de cellulose recyclées provenant des papiers de journaux a été analysée par Huda et al. [133]. Avec l’addition de 30 % en masse de fibres, la rigidité du PLA a augmenté de 3,3 à 5,4 GPa pour le composite avec les fibres de cellulose recyclé et à 6,7 GPa pour les fibres de verre. La résistance à la traction est également améliorée de 62,9 MPa pour le PLA à 67,9 MPa et 80,2 MPa pour les fibres de cellulose recyclées et les fibres de verre respectivement. L’étude a montré que les propriétés mécaniques et thermo-physiques des composites réalisés avec les fibres de cellulose recyclées peuvent être comparées favorablement avec ceux réalisés avec les fibres de verre. Suggérant ainsi, que les composites réalisés avec les fibres de cellulose ont le fort potentiel de remplacer ceux réalisés avec les fibres de verre dans certaines applications.