Les fibres naturelles (en particulier les fibres de lin)

Bien que l’utilisation des NF comme renforcement pour les composites soit un phénomène récent, ces dernières ont été exploitées par l’humain depuis la préhistoire (Dewilde, 1983; Kvavadze et al., 2009)

Les fibres naturelles peuvent provenir de trois sources différentes notamment végétale, animale et minérale (Voir Figure 1.3). Les fibres végétales ont l’avantage d’avoir des propriétés mécaniques satisfaisantes et une densité apparente réduite. Bogoeva-Gaceva et al. (2007) les classifient en 4 catégories selon leurs origines (Voir Figure 1.3):

- Fibres extraites de graines

- Fibres libériennes provenant des tiges - Fibres extraites des feuilles

- Fibres extraites de fruits

Faruk et al. (2012) évoquent deux autres catégories à savoir les fibres de roseaux et d'herbe et les fibres extraites des racines et du bois.

Les fibres naturelles d’origine végétale, dont le lin, sont constituées essentiellement de cellulose, d’hémicellulose, de lignine et de pectine. La cellulose représente le constituant le plus important de la fibre avec un pourcentage volumique pouvant atteindre 80%. Elle joue un rôle primordial en ce qui concerne les propriétés mécaniques de celle-ci. En effet, elle est présente sous forme cristalline dans les microfibrilles des fibres et est le constituant organique le plus dur et le plus résistant de la structure fibreuse. L’hémicellulose est hydrophile. Elle sensibilise donc la fibre à l’humidité et elle favorise la biodégradation mais accentue la dégradation thermique. La lignine, quant à elle, augmente la dureté et la rigidité de la cellule, et possède une forte résistance à la décomposition. Contrairement à l’hémicellulose, la lignine est thermiquement stable et résistante à l’eau (Yan et al., 2014). Ainsi, les NF sont, elles-

Figure 1.3 Classification des fibres naturelles suivant leurs origines Adaptée de Zhu et al. (2013), Gornet, (2008) et Do Thi (2006)

Sisal Banane Abaca Coton Coir Kapok Élaeis Lin Chanvre Jute Ortie Kenaf

Bois dur Liber Feuilles Graines Fruit

Bois Amiante Soie Minérales Bois tendre Végétales Animales Fibres naturelles Tige d’herbe Fibres agricoles Roseau Paille céréalière Noix de coco Laine et poils

mêmes, considérées comme un composite. Lignine, hémicellulose et pectine constituent la matrice amorphe de la fibre tandis que les fibrilles cellulosiques jouent le rôle de renfort. Le tableau 1.3 résume la composition chimique de quelques fibres naturelles les plus adoptées comme renforcement pour les composites.

Tableau 1.3 Composition chimique de quelques fibres naturelles Adapté de Bogoeva-Gaceva et al. (2007) et Ho Thi (2008)

Fibres Cellulose (%) Hémicellulose (%) Lignine (%) Pectine (%)

Lin 71,0 – 78,0 18,6 – 20,6 2,2 2,2

Chanvre 70,2 – 74,4 17,9 – 22,4 3,7 – 5,7 0,9 Jute 61,0 – 71,0 13,6 – 20,4 12,0 – 13,0 0,2 Kenaff 53,0 – 57,0 15,0 – 19,0 5,9 – 9,3

Le cœur de la fibre est creux. Le vide qui le constitue est appelé lumen. Il permet la circulation de l’eau et des substances nutritives dans la plante par une action capillaire qui peut conduire à l'absorption et la rétention de l'humidité interne (Pejic, Kostic, Skundric, & Praskalo, 2008) (Voir figure 1.4). Par conséquent, la fibre naturelle est fortement hydrophile. Sa sensibilité à l’humidité s’associe à une diminution des propriétés mécaniques proportionnelle au taux d’humidité absorbée. Ces fibres sont donc incompatibles avec les thermoplastiques hydrophobes (Do Thi, 2011).

Figure 1.4 Composition de la fibre naturelle élémentaire Tirée de Nguyen (2016)

Les fibres extraites des feuilles et celles extraites des tiges comme, par exemple, les fibres de lin, sont celles les plus utilisées. Effectivement, les NF les plus efficaces sont celles les plus riches en cellulose. Du fait de leur caractère naturel, les propriétés de ces fibres varient considérablement avec leurs origines mais aussi avec la qualité et l’âge de la plante, la localisation de la plantation, la taille de la fibre et la méthode de son extraction. Or, la section transversale d’une fibre évolue le long de celle-ci. Le diamètre de la fibre est plus grand près de la racine et devient plus faible près de la pointe (C. Baley, 2002). Cette géométrie induit la non uniformité des propriétés mécaniques le long d’une même fibre. Une autre limitation majeure pour le renforcement des polymères par les fibres naturelles est la sensibilité de ces dernières à la température. Une température de fonctionnement maximale de l'ordre de 200 à 230° ne doit pas être dépassée, puisqu'à ces températures la dégradation des fibres commence (Zhu, Zhu, Njuguna, & Abhyankar, 2013). Bodros, Pillin, Montrelay, et Baley (2007) montrent que les fibres de lin peuvent être endommagées de manière irréversible à une température de traitement de 200° . Ceci est principalement dû à la vapeur générée par évaporation de l’humidité retenue dans la fibre et à la dilatation différentielle dans les parois cellulaires de celle-ci. Ils remarquent qu’à partir de cette température de la porosité dans les fibres apparaît et conduit à la détérioration des propriétés mécaniques des fibres.

Autrement, les fibres de lin figurent parmi les NF les plus prometteuses. L’utilisation de ces fibres date d’il y a 30000 ans (Kvavadze et al., 2009). Le lin acquiert son importance de son caractère naturel et biodégradable, de son recyclage aisé, de sa facilité de mise en forme et de son abondance. Produites localement (C. Baley, 2005), les fibres de lin se distinguent par un prix bas et une disponibilité élevée. Contrairement aux fibres synthétiques, elles sont renouvelables et leur utilisation génère un bilan nul d’émission de gaz à effet de serre (Joshi, Drzal, Mohanty, & Arora, 2004). De plus, l’extraction de ces fibres est peu énergivore ce qui les rend peu chères. En outre, elles présentent de bonnes propriétés spécifiques comparables à celles des fibres de verre et ont l’avantage d’avoir une densité moins élevée (Do Thi, 2011) et d’être peu abrasives et donc plus économiques pour l’usinage (Voir Tableau 1.4).

Tableau 1.4 Propriétés mécaniques des fibres naturelles vs renforts conventionnels Tiré de Bogoeva-Gaceva et al. (2007)

Fibres Densité ( / ) Résistance à la traction ( ) Module d’élasticité en traction ( ) Résistance spécifique ( / ) Module spécifique ( / ) Rapport de coût Sisal 1,20 0,08-0,50 3-98 0,07-0,42 3-82 1,0 Lin 1,20 2,00 85 1,60 71 1,5 Verre 2,60 3,50 72 1,35 28 3,0 Kevlar 1,44 3,90 131 2,71 91 18,0 Carbone 1,75 3,00 235 1,71 134 30,0

Ainsi, les fibres de lin constituent une éventuelle alternative aux fibres de verre. Par conséquent, elles attirent de plus en plus l'intérêt de l'industrie aéronautique, automobile, construction, navale et ferroviaire (Avril, A Bailly, Njuguna, Nassiopoulos, & De Larminat, 2012; Jérémy Delahaigue, 2015).