Influence de la morphologie (longueur et diamètre) des fibres sur les composites

massique) Traitement alcalin Épais-seur (mm) Masse volumique (g/cm³) Résistance à la traction spécifique E/ρ (MPa.kg^-1.m³) Module de traction spécifique σ/ρ (MPa.kg -1 .m³) Module de traction E (MPa) Résistan-ce à la traction (MPa) 30 Oui 4,01 1,21 32,47 6306,6 7631,0 39,29 30 Non 3,66 1,25 32,91 4522,0 5652,5 41,14 40 Oui 4,39 1,23 44,39 6902,0 8489,6 54,60 40 Non 4,09 1,19 37,5 6218,1 7399,5 44,63 50 Oui 4,65 1,21 34,52 5795,3 7012,3 41,77 50 Non 4,02 1,22 35,84 5763,0 7030,8 43,73

3.8.2.7. Influence de la morphologie (longueur et diamètre) des fibres sur les composites

L’incorporation de fibres végétales dans une matrice nécessite une connaissance préalable de la réaction des fibres dans le milieu et également d’optimiser l’interface matrice/fibre. La résistance d’un composite renforcé par des fibres dépend du degré avec lequel une charge appliquée est transmise aux fibres. Ceci est fonction de l’amplitude de la liaison interfaciale fibre /matrice. L'importance des interactions à l’interface entre la matrice polymère et les fibres a été largement reconnue dans l'amélioration de la stabilité hygrothermique et des propriétés mécaniques des composites naturels et polymère renforcé de fibres. Pour cela, différents traitements ont été étudiés afin d’améliorer cette liaison. Une force appliquée directement à la matrice, sur la surface d’un composite, est transférée sur les fibres les plus proches et

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se propage de fibre en fibre via la matrice et l'interface. Si l'interface est mauvaise, une distribution efficace des forces n'est pas atteinte et les propriétés mécaniques des composites sont altérées. Par contre, une bonne interface peut permettre que le composite ait la capacité de supporter la contrainte, même après que plusieurs fibres soient coupées parce que la force peut être transférée aux fibres non cassées.

Plusieurs études dans le passé ont déjà étudié les modifications des propriétés de surface des fibres de cellulose afin d’améliorer leur adhésion avec une matrice polymérique et réduire l'absorption d'humidité. Il a été démontré qu’un traitement approprié appliqué sur les fibres peut entraîner une compatibilité avec la matrice polymère, qui améliore la qualité des composites. Des méthodes variées comme les traitements plasma, alcalin, thermique, greffage par copolymérisation, le traitement avec des silanes ou encore avec d’autres produits chimiques ont permis d’améliorer la compatibilité des fibres avec la matrice. L’ensemble de ces études montre que

l’adhésion entre les fibres et la matrice joue un rôle primordial sur les propriétés mécaniques du composite. Il est donc indispensable de connaître les interactions chimiques de surface entre les différents constituants des composites avant de pouvoir réaliser une caractérisation mécanique de l’ensemble. Ainsi un point de comparaison intéressant pour les composites est l'effet de la taille (longueur et diamètre) des fibres sur les propriétés mécaniques du composite. (Mechraoui et al., 2008) ont montré que, plus les fibres sont longues, plus elles sont capables d'absorber de l'énergie avant de rompre. C'est pourquoi les propriétés mécaniques sont supérieures. Dans la majorité des composites, il est intéressant d'avoir le maximum de fibres plus longues afin d'obtenir les meilleures propriétés mécaniques possible, mais ceci diminue

généralement la facilité de mise en œuvre. Thwe et al., (2002) ont montré que dans des composites PP/bambou-verre, l’accroissement de la longueur des fibres de bambou provoque une légère diminution de la contrainte à la rupture en traction mais une augmentation du module d’Young. L’interface entre la fibre de bambou et une matrice PP diminue lorsque le diamètre des faisceaux de fibres augmente Nguyen et al.,

(2004). La forme de la section de ces derniers devient de plus en plus complexe lorsque le diamètre augmente conduisant à un contact imparfait entre la matrice et la fibre en plusieurs endroits.

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Pour des composites PP/sisal renforcés par des fibres courtes Joseph et al.,(1999), ont mis en évidence l’existence d’une longueur critique de ces fibres requise pour un bon transfert des contraintes. En dessous de cette longueur, la fibre soumise à une

contrainte est déchaussée de la matrice et le composite se rompt pour de faibles charges. Pour des longueurs supérieures, l’application d’une contrainte conduit à la rupture des fibres (et non pas au déchaussement) d’où une résistance en traction plus élevée.

González et al., (2011) ont étudié, pour des composites PLA/bambou, l’influence de la taille des fibres non seulement sur les propriétés mécaniques mais également sur l’absorption d’eau. 3 tailles de fibres ont été utilisées : farine (<150μ), fibres courtes (entre 150 et 500μ) et fibres longues (entre 150 et 1000μ). Aucune variation

significative de module n’est observée, par contre la contrainte et la déformation à rupture sont augmentées mais uniquement quand on passe de la farine aux fibres courtes tandis que la résistance à l’impact augmente chaque fois que la longueur des fibres croît. En ce qui concerne l’absorption d’eau, une augmentation de la longueur des fibres conduit à une reprise d’eau plus élevée. En effet celle ci étant gouvernée par un processus de diffusion, une plus grande longueur de fibres facilite la pénétration d’eau dans le composite.

Soykeabkaew et al., (2004) ont également élaboré des composites (matrice polymère en amidon + jute ou lin) en faisant varier le rapport longueur/diamètre (L/D) et l’orientation des fibres (transversale, longitudinale et aléatoire) pour le même taux de fibres (10% en masse) afin d’estimer la variation des propriétés physiques et mécaniques en fonction de ces paramètres. Les propriétés mécaniques des composites dépendaient également de L/D et de l’orientation des fibres. Elles étaient les plus élevées pour les composites contenants des fibres avec un rapport L/D le plus important. Ceci peut s’expliquer par le fait que les fibres avec un L/D plus élevé possèdent une surface de contact avec la matrice plus importante. De plus, ces auteurs ont également mis en évidence une forte interaction entre les fibres et l’amidon.

En ce qui concerne l’orientation des fibres, les composites avec une orientation longitudinale des fibres possèdent les meilleures propriétés mécaniques. Tandis que les plus faibles propriétés mécaniques ont été notées pour des composites avec une