Propriétés mécaniques des composites à renfort végétal129

3.2 Éléments contextuels et bibliographiques

3.2.2 Performances des composites à renfort végétal

3.2.2.2 Propriétés mécaniques des composites à renfort végétal129

La première condition pour accéder à une utilisation massive des composites à renfort végétal dans le secteur industriel, est d’atteindre des performances méca-niques spécifiques équivalentes à celles obtenues dans le cas des composites à renfort synthétiques.

Module d'Young (GPa) Résistance en traction (MPa)

Module d'Young / Densité (GPa/g.cm-1) Résistance en traction / Densité (MPa/g.cm-1)

Unidirectionnel thermodurs Unidirectionnel thermoplastiques Multiaxial thermodurs Non-tissé thermodurs Non-tissé thermolastique Thermoplastique moulage par injection

Composites à renfort végétal

Composites à renfort synthétique (fibre de verre)

Figure 3.5 – Propriétés mécaniques des composites à renfort végétal et des composites à fibres de verre, d’après Shah [Shah 14].

La figure 3.5 représente les propriétés mécaniques (module d’Young et résistance en traction) des composites à renfort végétal et des composites renforcés par des fibres de verre. Comme cela a déjà été détaillé dans la 3.2.1.2, les performances des composites sont largement influencées par la structure et l’orientation des fibres vé-gétales ainsi que par la nature du polymère. La figure 3.5 montre que les composites constitués d’une matrice thermodurcissable et d’un renfort orienté dans une direc-tion privilégiée présentent les meilleures propriétés mécaniques en tracdirec-tion avec un module d’Young compris entre 16 GPa et 42 GPa et une résistance comprise entre 150 MPa et 420 MPa. L’atout principal des fibres végétales réside dans leur faible densité qui leur confère des propriétés spécifiques très intéressantes (figure 3.5b) et c)). Pour les composites unidirectionnels, la rigidité spécifique est supérieure à celle Thèse de Doctorat - C. François 129

des composites à fibres de verre. Les composites renforcés par un renfort unidirec-tionnel végétal sont donc de bons candidats en vue de remplacer les composites à fibres de verre.

Le tableau 3.4 représente une liste non exhaustive des propriétés mécaniques des composites unidirectionnels à matrice thermodurcissable. Parmi les différents types de fibres végétales, le chanvre et le lin sont parmi ceux possédant les meilleures propriétés mécaniques (Section 3.3.1). Ainsi, seules les performances des composites renforcés par des fibres de chanvre ou bien de lin sont indiquées. Elles se carac-térisent par une forte dispersion liés aux différents types de matériaux testés ainsi qu’aux paramètres de mise en oeuvre tels que le taux, la structure et l’orientation du renfort ou encore le conditionnement en température et humidité des matériaux (3.2.1.2). Les composites renforcés par des fibres de lin possèdent des propriétés mé-caniques légèrement supérieures à celles des composites à base de chanvre, excepté pour les lots chanvre/époxy testés par Liu et al. [Liu 16b] qui présentent d’excel-lentes performances avec un module d’Young d’environ 35 GPa et une contrainte maximale supérieure à 300 MPa. Par ailleurs, les données de la littérature présen-tées dans le tableau 3.4 montrent bien l’impact positif attendu du taux de fibres sur les propriétés des composites. Ces résultats sont en accord avec ceux de Shah et al. [Shah 12]. Une limite en terme de taux de fibres semble néanmoins exister, limite à partir de laquelle le taux de porosités augmente drastiquement et les propriétés en traction chutent brusquement. Cette limite dépend étroitement de la nature du renfort et de ses propriétés de compaction [Madsen 04]. Les traitements chimiques, enzymatiques et physiques appliqués sur les fibres de chanvre permettent d’améliorer la résistance ainsi que la rigidité des matériaux [Liu 16b, Islam 11]. Ces traitements agissent principalement sur l’adhésion à l’interface fibre/matrice. Concernant les trai-tements chimiques (alcalin, eau et silane) appliqués sur les fibres de lin, ils impliquent une faible amélioration de la rigidité mais cependant entrainent une diminution de la résistance des composites [Perremans 18b]. Par ailleurs, les propriétés des composites à renfort végétal et en particulier lin et chanvre, sont du même ordre de grandeur que celles des composites renforcés par des fibres de verre, décrits dans le tableau, avec une rigidité de l’ordre de 20 GPa et une résistance valant plusieurs centaines de mégapascals.

3.2

Éléments

contextuels

bibliographiques

Tableau 3.4 – Propriétés des composites à renfort végétal et matrice thermodurcissable. Fibres ^{Traitement des}_fibres ^{Continuité et}orientation

du renfort ^Matrice

Conditions d’essais (Température, humidité relative)

Taux de fibre

(% massique) ^Rigidité(GPa) ^Résistance(MPa) ^Déformation(%) de porosité^Coefficient ^Référence

Chanvre ∅ Discontinu Unidirectionnel ^Polyépoxyde ^{23℃ ± 3℃}50% ± 5% 40% ET= 11,8 ± 1,0 σT = 63 ± 9 - - [Islam 11] 50% ET= 13,7 ± 3,9 σT = 69 ± 7 - - [Islam 11] 65% ^ET= 15,4 ± 1,0 EF= 8,2 ± 1,9 ^σσ^TF^{= 110 ± 3}= 155 ± 8 ^- ^- ^{[Islam 11]} Chanvre alcalin _{Unidirectionnel}^Discontinu Polyépoxyde ^{23℃ ± 3℃}_{50% ± 5%} ^40%_50% _E^E^T^{= 12,3 ± 1,8} ^σ^T ^{= 86 ± 7} ^- ^- ^{[Islam 11]}

T= 14,0 ± 2,0 σT = 95 ± 6 - - [Islam 11] 65% ^ET= 17,8 ± 3,4 EF= 10,1 ± 0,3 σ^σF^T= 145 ± 11^{= 113 ± 3} ^- ^- ^{[Islam 11]} Chanvre ∅ Continu Unidirectionnel ^Polyépoxyde ^{23℃ ± 3℃}50% ± 5% 40% ET= 11,4 ± 2,2 σT = 129 ± 8 - - [Islam 11] 50% ET= 13,0 ± 3,0 σT = 144 ± 8 - - [Islam 11] 65% ^ET= 17,2 ± 2,0 EF= 10,2 ± 0,4 ^σσ^TF^{= 166 ± 4}= 179 ± 7 ^- ^- ^{[Islam 11]} Chanvre Alcalin _{Unidirectionnel}^Continu Polyépoxyde ^{23℃ ± 3℃}

50% ± 5% 40% ET= 12,6 ± 3,5 σT = 134 ± 5 - - [Islam 11] 50% ET= 15,0 ± 2,2 σT= 135 ± 10 - - [Islam 11] 65% ^ET= 18,5 ± 3,9 EF= 10,4 ± 0,8 σT= 139 ± 10 σF= 172 ± 6 ^- ^- ^{[Islam 11]} Chanvre ∅ Continu

Unidirectionnel ^Polyépoxyde ^- ^50% ^ET '34 σT'295 - 0,157 [Liu 16b]

Chanvre Enzymatique _{Unidirectionnel}^Continu Polyépoxyde - 50% ET '35 σT'306 - 0,119 [Liu 16b]

Chanvre Hydrothermique +_enzymatique _{Unidirectionnel}^Continu Polyépoxyde - 50% ET '38 σT'325 - 0,084 [Liu 16b]

Chanvre ∅ Continu

Bidirectionnel ^Polyépoxyde ^- ^- ^ET= 6,04 ± 0,25 σT = 66 ± 3 ε= 5,9 ± 0,9 - [Perrier 17]

Lin ∅ Continu

Unidirectionnel Polyépoxyde (20 % bio-sourcé) ^20℃55% ^- ^ET '20-21 σT'200 ε '1,2 - [Perremans 18b]

Lin Eau _{Unidirectionnel Polyépoxyde (20 % bio-sourcé)}^Continu ^20℃_55% - ET '23-24 σT'160 ε '1,0 - [Perremans 18b]

Lin Chimique (silane) _{Unidirectionnel Polyépoxyde (20 % bio-sourcé)}^Continu ^20℃_55% - ET '23-24 σT'175 ε '0,9 - [Perremans 18b] Lin Alcalin _{Unidirectionnel Polyépoxyde (20 % bio-sourcé)}^Continu ^20℃_55% - ET '20-24 σT'185 ε '1,1 - [Perremans 18b]

Lin ∅

Continu

Unidirectionnel ^{Polyester insaturé}

20℃

65% ^58% ^ET= 29,9 ± 1,8 σT= 304 ± 29 ε = 1,73 ± 0,10 - [Hughes 07]

Verre ∅ Continu

Unidirectionnel ^Polyépoxyde ^- ^35%^a ^EF'31 σF'817 - - [Oksman 01]

afraction volumique. Thèse de Do ctor at -C. François 131

3.2.2.3 Durabilité

Le développement récent des matériaux bio-sourcés dans de nombreux secteurs industriels (transport, bâtiment, loisir...), impliquant notamment des applications extérieures, questionne quant à leur durée de vie. La durabilité d’un matériau se dé-finit comme sa capacité à conserver ses propriétés au cours du temps et en particulier lorsqu’il est soumis à des variations climatiques. C’est une propriété essentielle ca-ractérisant la performance d’un matériau. Par ailleurs, Le Duigou et al. [Duigou 11] ont également montré que la durée de vie d’un matériau affecte de façon impor-tante son impact environnemental. Il est donc nécessaire d’optimiser la durabilité des composites bio-sourcés afin de conserver l’intérêt de leur utilisation en remplace-ment des matériaux pétrosourcés. Les fibres végétales, utilisées comme renfort dans ces matériaux composites, sont sensibles à l’humidité. Cette affinité pour l’eau se traduit par des variations dimensionnelles lorsqu’ils sont soumis à des variations hy-grothermiques des fibres pouvant altérer la résistance à l’interface entre le renfort et la matrice organique [Bessadok 07]. Des fissures peuvent se former au sein de la matrice dans les zones proches de l’interface, ce qui peut entrainer une décohésion de la fibre au sein de la matrice (figure 3.6) [Regazzi 13].

Figure 3.6 – Schéma du processus de décohésion d’une fibre végétale au sein d’une matrice organique [Regazzi 13]. (a) la fibre est enrobée dans la matrice. (b) le gonflement des fibres dû à l’absorption d’eau engendre l’apparition de fissures. (c) l’eau s’infiltre dans les fissures par capillarité. (d) Le retrait de la fibre après désorption entraine une décohésion à l’interface fibre/matrice.

La dégradation de l’interface fibre/matrice diminue les capacités de transfert de charge via la matrice et donc altère les performances mécaniques des composites [Yang 96]. Une exposition prolongée des fibres végétales à l’humidité peut également conduire à la dégradation de certains polymères constituant leurs parois par l’action des enzymes secrétées par des micro-organismes. La matrice peut elle aussi être sujet à l’apparition de dommages dus à des mécanismes de dégradation tels que l’hydro-lyse [Gautier 00, Le Duigou 09]. De manière générale, la diffusion de l’humidité au sein du composite dépend de plusieurs facteurs tels que la fraction volumique de fibres et de porosités, la viscosité de la matrice, le taux d’humidité et la température [Thomason 95]. Pour ces raisons, il apparaît primordial d’étudier, de caractériser et de prédire la durabilité de ces composites bio-sourcés et plus particulièrement leur sensibilité à l’humidité. La bibliographie récente a permis d’apporter quelques premiers éléments de caractérisation et de compréhension des mécanismes de

vieillis-3.3 Techniques et matériaux de l’étude

Dans le document Contribution au développement de composites 100% bio-sourcés : synthèse de polyépoxydes bio-sourcés, traitement de fibres de chanvre au CO2 supercritique et incidence sur les propriétés des matériaux (Page 130-134)