Année académique 2017-2018 11ème Promotion
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UNIVERSITE D’ABOMEY – CALAVI (UAC)
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ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY – CALAVI (EPAC)
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DÉPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE ET ENERGETIQUE (GME)
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OPTION : ENERGETIQUE
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MEMOIRE DE FIN DE FORMATION POUR L’OBTENTION DU DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION
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Réalisé par : Rodrigue KPADJOUDA
Présenté et soutenu publiquement le mardi 02 avril 2019 devant le jury composé de : Président : Prof. Malahimi ANJORIN, Enseignant à l’EPAC
Membres : 1. Dr. Abdoulaye ASSOUDO, Enseignant à l’EPAC
2. Prof. Clément AHOUANNOU, Superviseur, Enseignant à l’EPAC 3. Dr. Sèmiyou A. OSSENI, Encadrant, Enseignant à la FAST/UNSTIM
THEME :
CARACTERISATION PHYSIQUE, THERMIQUE ET CHIMIQUE DE NOUVEAUX MATERIAUX ISSUS DE LA BIOMASSE VEGETALE POUR L’ELABORATION DES PANNEAUX D’ISOLATION THERMIQUE.
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | i
DEDICACES
A mon feu Oncle Marcelin KPADJOUDA, modèle de sagesse et de dévouement.
. Je dédie ce mémoire.
Rodrigue KPADJOUDA
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | ii
REMERCIEMENTS
Les recherches qui font l’objet de ce mémoire ont été effectuées au Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Appliquées de l’Ecole Polytechnique de l’Université d’Abomey Calavi (UAC, Bénin). Nous voudrions ici adresser nos remerciements à toutes celles et tous ceux qui de près ou de loin ont apporté leur grain de sel à la réalisation de ce rapport de mémoire.
Nous remercions Dieu pour tout le courage qu’Il nous a donné pour mener à bien ce travail. Bien entendu, les mots nous manquent pour exprimer toute notre gratitude.
Nos remerciements vont aussi :
✓ A notre superviseur, le Professeur Clément AHOUANNOU, Enseignant- Chercheur à l’EPAC (UAC), maître de Conférences des Universités CAMES.
Vous avez accepté de nous suivre malgré vos multiples occupations. Veuillez accepter, monsieur le superviseur, nos sentiments de gratitude ;
✓ A notre encadrant principal, le Docteur Sèmiyou A. OSSENI, Enseignant- Chercheur à la FAST (UNSTIM), Maître-Assistant des Universités CAMES.
Vous avez accepté avec enthousiasme de nous encadrer pour notre mémoire, malgré votre charge. Recevez ici, monsieur l’encadrant, notre profonde sympathie ;
✓ A notre encadrante, le Docteur Sibiath OSSENI, Enseignante à l’EPAC, Merci pour tout. Acceptez, Docteur, nos sentiments de respect et d’attachement ;
✓ Au Docteur Vincent PRODJINONTO, Enseignant-chercheur à l’EPAC et chef de département de Génie Mécanique et Energétique (GME), pour vos conseils et votre soutien ;
✓ Au Docteur Pascal AGBANGNAN, qui nous a permis de faire les essais physiques et chimiques sur les matières végétales au laboratoire ;
✓ A vous, Doctorant Melon LOKOSSOU, pour l’aide que vous nous avez apportée au cours de ce travail ;
✓ A l’Ingénieur Berléo APOVO, pour vos conseils et efforts ;
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | iii
✓ A tous les enseignants du département de Génie Mécanique et Energétique, qui malgré tout, avez su mettre l’essentiel en œuvre pour assurer notre formation de qualité. Recevez nos sincères remerciements ;
✓ A mon cher père Bertin E. KPADJOUDA, Merci papa pour ton amour à l’égard de tes enfants, que ce travail soit pour toi le témoignage de ma reconnaissance à ton égard. Que Dieu te bénisse et te prête une longue vie ;
✓ A ma mère Josephine AZIAIKOU, femme courageuse et tendre, saurais-je vraiment trouver les mots qu’il faut pour témoigner tes nombreux sacrifices?
Trouve dans ce travail le début du couronnement des longues années de sacrifices et d’efforts consentis pour l’avenir de tes enfants ! Que le Père Céleste te comble de toutes ses grâces et t’accorde la longévité ;
✓
A mon oncle Eric KPADJOUDA, pour votre soutien, votre affection et votre amour, recevez par ce travail toute ma gratitude. Que Dieu vous le rende au centuple! Amen ;✓
A vous tous, enseignants, Edmond C. VODOUNNON (Professeur certifier de PCT. Docteur en sciences pour l’ingénieur), Alexandre ADJAGBO (Conseiller Pédagogique en PCT) et Cyrielle TCHINKOUN (conseiller pédagogique de mathématique), qui ont pris leur temps avec la gentillesse d’effectuer des corrections à mes œuvres didactiques ;✓ A tous mes amis (es) en particulier à Lionel COMLANVI ;
✓ A tous les camarades de promotion pour l’esprit d’entraide et de solidarité qui ont caractérisé nos rapports. Infiniment merci !
✓ Aux honorables membres du jury, pour avoir accepté d’examiner ce travail, nous vous promettons que vos remarques seront les bienvenues pour une amélioration certaine. Nous vous prions d’accepter nos hommages respectueux.
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | iv
RESUME
L’objectif de ce travail est d'élaborer un nouveau matériau issu de la biomasse et utilisable pour la fabrication des panneaux d’isolation thermique dans le bâtiment.
La partie expérimentale a porté sur la formulation d’un composite à partir de la poudre de l’écorce de Grewia Venusta renforcée par les particules de tige de cotonnier dans le but d’’obtenir un matériau susceptible de jouer le rôle d’isolant dans le bâtiment. Les particules de tige de cotonnier sont regroupées suivant quatre classes granulaires : A=[0.063 ; 0.63 𝑚𝑚[, B=[0.63 ; 1,25 𝑚𝑚[, C=[1,25 ; 2 𝑚𝑚[, D=[0.063 ; 2 𝑚𝑚[. Les échantillons fabriqués sont issus d’un mélange dosé à 60%, 65% et 70% de la poudre de l’écorce de Grewia Venusta contre 40%, 35% et 30% des particules de tige de cotonnier. Une masse de ce mélange a été 180g, pressée avec une charge comprise en 10 kN et 15kN, à une température voine de 120°C pendant une durée de 10 mn.
Les résultats des essais physiques, thermiques et chimiques ont montré une corrélation entre le taux de poudre de l’écorce de Grewia Venusta, la classe des particules de tiges de cotonnier et les propriétés du composite. Tous les échantillons élaborés présentent de meilleures propriétés thermiques (conductivité thermique 𝜆 comprise entre 0.085 et 0.104 W/m.K et effusivité thermique E comprise entre 270.4271 et 282.8067 J. s−1/2. m−2. K−1). Ils pourraient être une opportunité pour améliorer la qualité de l’intérieur du bâtiment avec quelques avantages, tels que : prix réduits, sans effet négatif sur la santé, ne modifie pas l’aspect extérieur de la maison puis préserve l’environnement et les écosystèmes.
Mots clés : matériaux composites, nouveaux matériaux, propriétés physiques, thermiques et chimiques, isolation thermique.
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | v
ABSTRACT
The objective of this work is to develop a new material derived from biomass that can be used to manufacture thermal insulation panels in buildings.
The experimental part focused on the formulation of a composite from the powdered bark of Grewia Venusta reinforced with cotton rod particles in order to obtain a material that could act as insulation in the building. Cotton rod particles are grouped into four granular classes: A=[0.063 ;0.63 mm[, B=[0.63 ;1.25 mm[, C=[1.25 ;2 mm[, D=[0.063 ;2 mm[. The samples manufactured are made from a mixture of 60%, 65%
and 70% of the bark powder of Grewia Venusta against 40%, 35% and 30% of the cotton bud particles. A mass of this mixture was 180g, pressed with a charge of 10 kN and 15kN, at a temperature of 120°C for a period of 10 minutes.
The results of the physical, thermal and chemical tests showed a correlation between the powder content of Grewia Venusta bark, the class of cotton rod particles and the properties of the composite. All the elaborated samples have better thermal properties (thermal conductivity λ between 0.085 and 0.104 W/m.K and thermal effusivity E between 270.4271 and 282.8067 J.s^(-1/2).m^(-2).K^(-1)). They could be an opportunity to improve the quality of the building's interior with some advantages, such as: reduced prices, without negative effect on health, does not change the external appearance of the house and then preserves the environment and ecosystems.
Keywords: composite materials, new materials, physical, thermal and chemical properties, thermal insulation.
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | vi
TABLE DES MATIERES
DEDICACES ... i
REMERCIEMENTS ... ii
RESUME ... iv
ABSTRACT ... v
TABLE DES MATIERES... vi
LISTE DES FIGURES ... x
LISTE DES TABLEAUX... xii
NOMENCLATURE ... xiii
INTRODUCTION GENERALE ... 1
CHAPITRE 1 : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE ... 4
1.1. Introduction aux matériaux composites ... 5
1.1.1. Matrice... 5
1.1.2. Renforts ... 6
1.2. Classification des matériaux composites ... 7
1.2.1. Classification suivant la forme des constituants ... 7
1.2.2. Classification suivant la nature des constituants ... 9
1.3. Avantages et inconvénients des matériaux composites à charges végétales ... 10
1.4. Etat de l’art sur l’élaboration des composites particules ... 12
1.4.1. La préparation du matériau ligneux ... 12
1.4.2. Préparation du liant naturel ... 12
1.4.3. L’imprégnation du matériel fibreux avec la résine ou encollage ... 12
1.4.4. La mise en forme ou formage ... 13
1.4.4.1. Le thermopressage ... 13
1.4.4.2. Le thermoformage ... 13
1.4.4.3. Le moulage ... 13
1.4.4.4. La finition ... 14
1.5. Caractérisation des matériaux de synthèse ... 14
1.5.1. Caractérisation physique et chimique des matières premières végétales 14 1.6. Caractérisation physique du composite ... 15
1.7. Caractérisation thermique du composite... 15
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | vii
1.7.1. Définitions des propriétés thermiques ... 15
1.7.2. Méthodes de la métrologie thermique ... 17
1.7.2.1. Les méthodes de mesure en régime permanent ... 17
1.7.2.2. Les méthodes de mesure en régime variable ... 20
1.7.2.3. Variantes de la méthode du plan chaud suivant la mesure de température ... 26
1.8. Quelques travaux réalisés sur les matières végétales ... 29
1.9. Conclusion ... 31
CHAPITRE 2 : MATERIAUX, MATERIEL ET METHODES ... 32
2.1. Introduction ... 33
2.2. Matériaux ... 33
2.2.1. L’eau de gavage ... 33
2.2.2. La tige de cotonnier ... 33
2.2.3. L’écorce Grewia venusta Fresen ... 34
2.2.4. Justification du choix des matériaux ... 35
2.3. Matériel ... 36
2.3.1. De synthèse ... 36
2.3.2. De caractérisation physique et chimique ... 37
2.3.3. De caractérisation morphologique ... 40
2.3.4. D’élaboration du composite ... 42
2.3.5. De caractérisation thermique ... 45
2.4. Méthodes ... 47
2.4.1. Synthèse des matériaux ... 47
2.4.2. Mesure des caractéristiques physiques et chimiques des matières végétales ... 48
2.4.2.1. Teneur en eau et en matières volatiles (AFNOR NF P 94-050) ... 48
2.4.2.2. Teneur en matières minérales et en matières organiques (AFNOR V 03- 922) ... 49
2.4.2.3. Teneur en Lipides (AOAC) ... 50
2.4.2.4. Teneur en Protéines (AFNOR V 18-100) ... 51
2.4.3. Mesure des caractéristiques morphologiques des matières végétales ... 52
2.4.3.1. La masse volumique des particules ... 52
2.4.3.2. Le taux de gonflement des particules ... 52
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | viii 2.4.3.3. Distribution granulométrique et tailles des particules (AFNOR NF P 94-
056) ... 53
2.4.5. Elaboration du matériau composite à partir de partir de tige de cotonnier et de la poudre de l’écorce de Grewia Venusta ... 54
2.4.5.1. Préparation de particule de tiges de cotonnier ... 54
2.4.5.2. Préparation du liant (la poudre de l’écorce de l’EGV) ... 54
2.4.5.3. Formulation du mélange ... 56
2.4.5.4. Procédure de réalisation des échantillons ... 57
2.4.5.5. Désignation des échantillons... 58
2.4.5.6. Fabrication des échantillons ... 58
2.4.6. Caractérisation physique des composites ... 59
2.4.6.1. Détermination de la masse volumique des composites ... 59
2.4.6.2. Mesure d’absorption d’eau des panneaux ... 60
2.4.7. Caractérisation thermique des composites [18] ... 60
2.4.7.1. Principe du plan chaud asymétrique à deux mesures de température .. 60
2.4.7.2. Modélisation quadripolaire 𝟏𝑫 du plan chaud asymétrique à deux mesures de température ... 61
2.4.7.3. Démarche de la méthode du plan chaud asymétrique à deux mesures de température ... 64
2.4.7.4. Estimation des paramètres... 65
2.4.7.5. Obtention des résultats des tests thermiques ... 65
2.5. CONCLUSION ... 67
CHAPITRE 3 : RESULTATS EXPERIMENTAUX ET DISCUSSION ... 68
3.1 INTRODUCTION ... 69
3.2. Caractérisation physique et chimique des matières premières ... 69
3.2.1. Teneur en eau et en matières volatiles ... 69
3.2.2. Teneur en matières minérales et en matières organiques ... 69
3.2.3. Teneur en Lipides ... 70
3.2.4. Teneur en Protéines ... 70
3.3. Essais des caractéristiques morphologiques des matières végétales ... 70
3.3.1. Masse volumique des particules ... 70
3.3.2. Taux de gonflement des particules ... 71
3.3.3. Distribution granulométrique et tailles des particules ... 71
3.4. Confection des éprouvettes ... 72
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | ix
3.4.1. Composition des composites ... 72
3.4.2. Aspect visuel des échantillons après confection ... 73
3.5. Présentation des résultats physiques des composites ... 75
3.5.1. Masse volumique des composites ... 75
3.5.2. Mesure d’absorption d’eau du composite ... 76
3.6. Présentation des résultats des tests thermiques ... 77
3.7. CONCLUSION ... 81
CONCLUSION GENERALE ... 82
PERSPECTIVES ... 83
REFERENCES BIBLIOGRAPGIQUES... 84
ANNEXES ... 88
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | x
LISTE DES FIGURES
Figure 1. 1: Schéma illustratif d’un matériau composite ... 5
Figure 1. 2 : Les différentes familles de matrice ... 6
Figure 1. 3 : Les différentes familles de renforts ... 6
Figure 1. 4: Classification des fibres naturelles et quelques exemples [10] ... 8
Figure 1. 5 : Structure d’une fibre végétale [15]. ... 14
Figure 1. 6 : Dispositif de mesure de la conductivité thermique par la méthode des boites ... 18
Figure 1. 7 : Schéma de principe de la méthode de la barre [20]. ... 19
Figure 1. 8 : Schéma de principe de la méthode gardée. ... 19
Figure 1. 9 : Dispositif expérimental de la méthode du régime régulier ... 21
Figure 1. 10 : Schéma de principe la méthode flash [23] ... 22
Figure 1. 11 : Méthode du ruban chaud, en configuration symétrique, avec une mesure de la température locale ou moyenne. ... 23
Figure 1. 12 : Vue d’une sonde Hot disk ... 24
Figure 1. 13 : Organigramme de principe de mesure des caractéristiques thermiques ... 27
Figure 1. 14 : Schéma du plan chaud asymétrique à deux mesures de température 28 Figure 2. 1: Photo d’un champ de cotonnier ………..33
Figure 2. 2 : Photo de coton graine récolté ... 34
Figure 2. 3 : Tiges de cotonnier après récolte de coton graine ... 34
Figure 2. 4 : Photo de Grewia Venusta / Ecorce de Grewia Venusta ... 35
Figure 2. 5 : Photo de l’étuve ... 36
Figure 2. 6 : Photo du Broyeur à couteaux ... 36
Figure 2. 7 : Photo de la moulinette ... 37
Figure 2. 8 : Photo de la balance électronique ... 37
Figure 2. 9 : Photo de l’étuve ... 38
Figure 2. 10 : Photo du Four électrique ... 38
Figure 2. 11 : Photo du dessiccateur contenant des creusets de particules étuvés . 39 Figure 2. 12 : Photo de l’extracteur à Soxhlet ... 39
Figure 2. 13 : Photo du Cartouche ... 40
Figure 2. 14 : Photo de l’extracteur Rotatif ... 40
Figure 2. 15 : Photo d’une série de tamis ... 41
Figure 2. 16 : Photo des éprouvettes ... 41
Figure 2. 17 : Photo de la table secousse... 42
Figure 2. 18 : Photo du malaxeur ... 42
Figure 2. 19 : Photo du thermostat ... 43
Figure 2. 20 : Photo du compresseur ... 43
Figure 2. 21 : Photo de la balance de précision 0,01g ... 44
Figure 2. 22 : Photo du dispositif de confection des éprouvettes ... 45
Figure 2. 23 : Photo du dispositif du plan chaud asymétrique ... 46
Figure 2. 24 : Photo de la résistance chauffante ... 46
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | xi
Figure 2. 25 : Photo de la Chaine de mesures ... 47
Figure 2. 26 :c- Photo des tiges de cotonnier écorcées, d- Photo des tiges de cotonnier broyées ... 54
Figure 2. 27 : e- Photo de l’écorce de Grewia Venusta, f- Photo de l’écorce de Grewia Venusta broyée ... 55
Figure 2. 28 : Photo de la Poudre de l’écorce de Grewia Venusta ... 55
Figure 2. 29 : Organigramme de préparation des matières premières. ... 56
Figure 2. 30 : Organigramme pour la fabrication des échantillons ... 59
Figure 2. 31 : Notations et positions des thermocouples………..61
Figure 2. 32 : Courbe théorique de l’évolution de la température sur les deux faces de l’échantillon ... 65
Figure 2. 33 : Courbes de simulation de l’évolution des températures des faces chauffée et non chauffée, ... 66
Figure 3. 1 : Courbe granulométrie sur la particule de la tige de cotonniers ………..71
Figure 3. 2 : Photo des différentes tailles de particules de tige de cotonnier. ... 72
Figure 3. 3 : Photo des échantillons par mélange ... 74
Figure 3. 4 : Photo d’ensemble des échantillons par classe granulaire ... 74
Figure 3. 5 : Masse volumique des échantillons en fonction de la proportion en liant. ... 75
Figure 3. 6 : Masse volumique en fonction de la classe granulaire ... 76
Figure 3. 7 : Conductivité thermique des échantillons en fonction de la proportion en liant ... 77
Figure 3. 8 : Effusivité thermique des échantillons en fonction de la proportion en liant ... 78
Figure 3. 9 : Capacité thermique volumique des échantillons en fonction de la proportion en liant. ... 78
Figure 3. 10 : Variation de l’effusivité thermique des échantillons en fonction de la conductivité thermique pour les matériaux du mélange 1. ... 79
Figure 3. 11 : Conductivité thermique en fonction de la classes granulaire ... 80
Figure 3. 12 : Variation de la densité apparente et de la conductivité thermique en fonction du proportion de liant dans les matériaux. ... 81
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | xii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1. 1 : Exemples de matériaux composites, pris au sens large ... 11 Tableau 1. 2 : Composition chimique de la source des tiges (Kénaf et coton) [16]. . 14 Tableau 1. 3 : Composants chimiques des organes végétaux [17]. ... 15 Tableau 2. 1 : Conditions électriques initiales obtenues pour les essais………....64 Tableau 2. 2 : Valeurs des paramètres de mesure thermiques estimées par le
programme de simulation. ... 67 Tableau 3. 1: Composition des composites par mélanges ………..73 Tableau 3. 2 : Composition des composites par classe granulaire ... 73
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | xiii
NOMENCLATURE
GRANDEURS
A Diffusivité thermique m2. s−1 C Capacité calorifique thermocouple + résistance chauffante J. m−3. K−1 c Chaleur massique J . kg−1. K−1 E Effusivité thermique J. s−1/2. m−2. K−1
e Epaisseur de l’échantillon m
R, Rth Résistance thermique K. w−1
S Section m2
t Temps s
T Température K, °C
U Coefficient de transmission surfacique K.m-2.W-1
LETTRES GRECQUES
λ Conductivité thermique W. m−1. K−1
ρ Masse volumique kg. m3 𝜙 Densité de flux dissipé dans la résistance chauffante W.m-2 θ Transformée de Laplace d’une différence de température
ABREVIATIONS
AFNOR Association Française de Normalisation AOAC Association of Official Analytical Chemists CMC Composites à Matrices Céramiques CMM Composites à Matrice Métallique CMO Composites à Matrices Organiques
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | xiv EGV Ecorce de Grewia venusta
EPAC Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi GCP Génie Chimique Procédé
H Teneur en eau et en matière volatile ISO International Standard Organisation L Teneur en lipide
LEMA Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Appliquée LERCA Laboratoire d’Etude et de Recherche en Chimie Appliquée LERGC Laboratoire d’Essais et de Recherches en Génie Civil MM Teneur en matière minérale
MO Teneur en matière organique MS Pourcentage matière sèche NF Norme Française
P protéine
TC Tige de cotonnier
UAC Université d’Abomey-Calavi
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INTRODUCTION GENERALE
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 2 INTRODUCTION GENERALE
De nos jours, l’utilisation des ressources naturelles dans les matériaux composites devient de plus en plus fréquente, et ce, du fait que ces ressources sont moins coûteuses.
De plus, les tendances industrielles se penchent sur des produits propres et écologiques, d’où l’intérêt d’intégrer des produits naturels facilement recyclables et biodégradables. Il est donc important de faire le point sur les différentes catégories de matériaux issus de ressources renouvelables et biodégradables [1].
Ainsi la ressource bois, qui est la matière première de choix pour l’industrie des panneaux de fibres et de particules, se raréfie de plus en plus et se doit donc d’être préservée. Il s’agit d’un impératif de protection de l’environnement qui ouvre ainsi la voie à la valorisation des matières premières alternatives telles les ressources lino- cellulosiques issues de plantes annuelles cultivées ou à reproduction spontanée dont un exemple remarquable est le coton cultivé au Bénin.
Le Bénin produit en moyenne 450 000 tonnes de coton fibre par an (Rapport production cotonnière du Bénin 2016-2017). Cette culture du coton engendre une quantité importante de déchets agricoles parmi lesquels on trouve les tiges de cotonnier qui sont le plus souvent délaissées dans les champs après les récoltes puis brûlées pour s’en débarrasser ou utilisées parfois comme bois de chauffe. La valorisation des fibres végétales permet la réduction des impacts environnementaux par rapport aux composites conventionnels puisque ce sont des matières premières renouvelables, biodégradables, neutres vis-à-vis des émissions du dioxyde de carbone CO2 et demandant peu d’énergie pour être produites [2],
Grewia venusta Fresen est une plante originaire des zones de savanes tropicales de l’Afrique riche en polysaccharides et en pectines. Ses organes servent de légume, de corde, de breuvage et de médicaments. Au Bénin, nous disposons d’une grande quantité de Grewia venusta Fresen au Nord et au Centre du pays. Ces feuilles sont utilisées
comme agent épaississant dans la fabrication de la bière locale à base de sorgho
« Choukoutou ». Quelques travaux ont été rapportés dans la littérature sur l’utilisation de l’extrait de l’écorce de cette plante dans le traitement des eaux usées[3]. Mais aucun travail n’a été rapporté sur l’utilisation de la poudre de l’écorce de cette plante riche en
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 3 pectine comme liant naturel dans la fabrication de panneaux d’isolation thermique à base de fibres végétales.
Le présent travail de recherche porte sur le thème intitulé : « Caractérisation physique, thermique et chimique de nouveaux matériaux issus de la biomasse pour l’élaboration des panneaux d’isolation thermique ».
L’objectif général visé, à travers cette étude, est de valoriser les résidus issus de la biomasse béninoise, en particulier les tiges de cotonnier et l’écorce de Grewia venusta Fresen, par leur utilisation dans la fabrication de panneaux de particules utilisables pour l’isolation thermique à l’intérieur des bâtiments
Spécifiquement il s’agira :
• De caractériser physiquement et chimiquement les matières premières pour l’élaboration des composites de particules (tige de cotonnier et plante riche en mucilage : Grewia venusta Fresen) ;
• De mettre au point un procédé de production des composites ;
• De caractériser physiquement et thermiquement les composites suivant différentes formulations à définir.
Après la présentation de notre revue bibliographique au premier chapitre, les matériaux, matériels et méthodes expérimentales utilisés durant nos travaux seront abordés au second chapitre. Le troisième et dernier chapitre sera consacré à la présentation et à la discussion de nos résultats.
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 4
CHAPITRE 1 : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1. Introduction aux matériaux composites
1.2. Avantages et inconvénients des matériaux composites à charges végétales 1.3. Classification des matériaux composites
1.4. Etat de l’art sur l’élaboration des composites particules de tiges cotonniers/liant naturel
1.5. Caractérisation des matériaux de synthèse 1.6. Caractérisation physique du composite 1.7. Caractérisation thermique du composite
1.8. Quelques travaux réalisés sur les matières végétales 1.9. Conclusion
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 5 1.1. Introduction aux matériaux composites
Le développement de nouveaux matériaux est soumis aux besoins des utilisateurs (constructeurs). Ceux-ci veulent toujours des matériaux plus performants, plus économiques et qui durent plus longtemps. Les chercheurs sont le plus souvent amenés à optimiser les solutions déjà utilisées, mais dans certains cas, ils doivent complètement repenser le problème et envisager de " nouveaux matériaux ". En effet, on ne découvre plus de nouveaux matériaux, mais on crée plutôt de nouvelles associations de matériaux.
L’un des résultats de cette association est l’aboutissement à un matériau composite, qui fait l’objet de notre étude [4].
Un matériau composite est un assemblage d’au moins deux matériaux de nature différente. Le nouveau matériau ainsi constitué possède des propriétés que les seuls éléments ne possèdent pas. Il est constitué d’une ossature appelée renfort qui assure la tenue mécanique, et d'un liant appelé matrice qui est la plupart du temps une matière plastique (résine thermoplastique ou thermodurcissable) assurant la cohésion de la structure et la transmission des efforts vers le renfort [5].
Figure 1. 1: Schéma illustratif d’un matériau composite 1.1.1. Matrice
La matrice a pour rôle de lier les fibres renforts, répartir les contraintes subies, apporter la tenue chimique de la structure et donner la forme désirée au produit [6].
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 6 Dans un grand nombre de cas, la matrice constituant le matériau composite est une résine polymère. Les résines polymères existent en grand nombre et chacune à un domaine particulier d’utilisation [7].
Figure 1. 2 : Les différentes familles de matrice 1.1.2. Renforts
Les renforts assurent les propriétés mécaniques du matériau composite et un grand nombre de fibres sont disponibles sur le marché en fonction des meilleurs coûts de revient recherchés pour la structure réalisée. Les renforts peuvent être constitués de différents matériaux sous forme de poudre, fibres, granules et même sous forme de fibres tissées (longues) [8]
Figure 1. 3 : Les différentes familles de renforts
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 7 1.2. Classification des matériaux composites
Les composites peuvent être classés suivant la forme ou la nature des composants [9] : 1.2.1. Classification suivant la forme des constituants
En fonction de la forme des constituants, les composites sont classés en deux grandes classes : les matériaux composites à particules et les matériaux composites à fibres.
➢ Composites à fibres
On parle de matériau composite à fibres si le renfort se trouve sous forme de fibres.
Les fibres utilisées se présentent soit sous forme de fibres continues, soit sous forme de fibres discontinues : fibres coupées, fibres courtes, etc. L’arrangement des fibres et leur orientation permettent de moduler à la carte les propriétés mécaniques des matériaux composites, pour obtenir des matériaux allant de matériaux fortement anisotropes à des matériaux isotropes dans un plan.
Le concepteur possède donc là un type de matériau dont il peut modifier et moduler à volonté les comportements mécanique et physique en jouant sur :
— la nature des constituants,
— la proportion des constituants,
— l'orientation des fibres.
L'importance des matériaux composites à fibres justifie une étude exhaustive de leurs comportements mécaniques. Les fibres les plus utilisées sont les fibres naturelles, surtout les fibres végétales, car elles sont très disponibles. Leur utilisation valorise donc les ressources locales du pays, tout en respectant l'environnement.
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 8 Figure 1. 4: Classification des fibres naturelles et quelques exemples [10]
➢ Composites à particules
On parle de matériau composite à particules lorsque le renfort se trouve sous forme de particules. Une particule, par opposition aux fibres, ne possède pas de dimension privilégiée.
Les particules sont généralement utilisées pour améliorer certaines propriétés des matériaux ou des matrices, comme la rigidité, la tenue à la température, la résistance à l'abrasion, la diminution du retrait, etc. Dans de nombreux cas, les particules sont simplement utilisées comme charges pour réduire le coût du matériau, sans en diminuer les caractéristiques.
Le choix de l’association matrice-particules dépend des propriétés souhaitées. Par exemple, des inclusions de plomb dans des alliages de cuivre augmenteront leur facilité d'usinage. Des particules de métaux fragiles tels que le tungstène, le chrome et les molybdènes, incorporés dans des métaux ductiles, augmenteront leurs propriétés à températures élevées, tout en conservant le caractère ductile à température ambiante.
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 9 Également, des particules d'élastomère peuvent être incorporées dans des matrices polymères fragiles, de manière à améliorer leurs propriétés à la rupture et au choc, par diminution de la sensibilité à la fissuration.
Ainsi, les composites à particules recouvrent un domaine étendu dont le développement s'accroît sans cesse.
1.2.2. Classification suivant la nature des constituants
Selon la nature de la matrice, les matériaux composites sont classés suivant des composites à matrice organique, à matrice métallique ou à matrice minérale. Divers renforts sont associés à ces matrices. Seuls certains couples d'associations ont actuellement un usage industriel, d'autres faisant l'objet d'un développement dans les laboratoires de recherche. Parmi ces composites, nous pouvons citer :
❖ Composites à matrice organique (résine, charges), avec :
− Des fibres minérales: verre, carbone, etc.
− Des fibres organiques: Kevlar, polyamides, etc.
− Des fibres métalliques: bore, aluminium, etc.
❖ Composites à matrice métallique (alliages légers et ultra légers d'aluminium, de magnésium, de titane), avec :
− Des fibres minérales : carbone, carbure de silicium (Sic),
− Des fibres métalliques : bore,
− Des fibres métallo-minérales : fibres de bore revêtues de carbure de silicium (BorSiC).
❖ Composites à matrice minérale (céramique), avec :
− Des fibres métalliques : bore,
− Des particules métalliques : cermets,
− Des particules minérales : carbures, nitrures, etc.
Les matériaux composites à matrice organique ne peuvent être utilisés que dans le domaine des températures ne dépassant pas 200-300°C, alors que les matériaux
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 10 composites à matrices métallique ou minérale sont utilisés au-delà : jusqu'à 600°C pour une matrice métallique, jusqu'à 1000°C pour une matrice céramique.
1.3. Avantages et inconvénients des matériaux composites à charges végétales L’utilisation des matériaux composites à fibres végétales sous différentes conditions environnementales est devenue populaire ces dernières années.
Beaucoup de fibres végétales ont été employées en tant que renfort efficace dans des matrices polymériques [10].
Les composites sont préférés à d’autres matériaux parce qu’ils offrent des atouts liés à :
• Leur légèreté ;
• Leur résistance à la corrosion et aussi à la fatigue ;
• Leur insensibilité aux produits comme les graisses, les liquides hydrauliques, les peintures et les solvants ;
• Leur possibilité de prendre plusieurs formes, d’intégrer des accessoires et permettre la réduction de bruit ;
• Matières premières renouvelables.
Cependant, certains inconvénients freinent leur diffusion :
• Les coûts des matières premières et des procédés de fabrication ;
• La gestion des déchets engendrés et la réglementation de plus en plus stricte ;
• Faible stabilité dimensionnelle ;
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 11
• Domaines d’application des composites pris au sens large
Tableau 1. 1 : Exemples de matériaux composites, pris au sens large
Type de composite Constituants Domaines d’application
1- Composites à
matrice organique Papier, carton
Panneaux de particules Panneaux de fibres Toiles enduites
Matériaux d’étanchéité Pneumatiques
Stratifiés
Plastiques renforcés
Résine/charge/fibres cellulosiques
Résine/copeaux de bois Résine/fibre de bois Résine souple/tissus
Elastomères/bitume/textiles Caoutchouc/toile/acier
Résine/charges/fibres de verre, de carbone, etc.
Résines/microsphères
Imprimerie, emballage, etc.
Menuiserie Bâtiment
Sports, bâtiment Toiture, terrasse, etc.
Automobile
Domaines multiples
2- Composites à
matrice minérale Béton
Composite carbone- carbone
Composite céramique
Ciment/sable/gravier Carbone/fibres de carbone Céramique/fibres céramique
Génie civil
Aviation, espace, sports, bio-médecine, etc.
3- Composites à
matrice métallique
Aluminium/fibres de bore
Aluminium/fibres de carbone Espace 4- Sandwichs
Peaux Ames
Métaux, stratifiés, etc.
Mousses, nids d’abeilles, balsa, plastiques renforcés, etc.
Domaines multiples
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 12 1.4. Etat de l’art sur l’élaboration des composites particules
Les panneaux de particules mis au point en 1940, dans le but d’utiliser les déchets de bois connaissent aujourd’hui un essor important avec la mise au point et le développement de nouveaux procédés de fabrication.
D’une manière générale, la fabrication des panneaux de particules se fait en 4 étapes principales notamment le fractionnement, l'imprégnation, le formage et la finition [11].
1.4.1. La préparation du matériau ligneux
La préparation du matériau fibreux se fait suivant le type et les caractéristiques des panneaux ciblés. Elle peut donc consister en un simple fractionnement mécanique (simple découpe du matériau ligno-cellulosique en copeaux ou simple broyage dans le cas des panneaux de particules traditionnels) ou en un défibrage thermomécanique (dans le cas des panneaux de fibres). Ce dernier peut, dans certains cas, être précédé d’une attaque chimique ou enzymatique. Quel que soit le procédé de fractionnement utilisé, le matériau fibreux obtenu est séché et classé afin d'obtenir des fragments ou particules homogènes.
1.4.2. Préparation du liant naturel
La colle d’os en perles qui servira de liant pour le matériau, est broyée en poudre de fines graines grâce à un moulin à café marle. Elle est ensuite dissoute dans une masse déterminée d’eau préparée; cette masse d’eau correspond au taux d’humidité désiré dans l’élaboration du panneau et est fixée à 11% dans notre étude. Cette masse d’eau est ensuite mélangée de façon homogène avec les particules broyées précédemment [13].
1.4.3. L’imprégnation du matériel fibreux avec la résine ou encollage
Cette étape consiste en un mélange du matériau fibreux avec la matrice liante. Elle est réalisée par pulvérisation de la résine en suspension colloïdale dans l’eau, dans un mélangeur contenant la matière fibreuse. La répartition de la résine est un facteur déterminant pour la qualité des panneaux. Signalons le cas particulier de la fabrication des panneaux de fibres pour lesquels les liants peuvent être injectés en sortie du raffineur thermomécanique sous pression, avant l’étape de séchage des fibres sous courant d’air chaud. Dans le cas des matrices thermoplastiques, le mélange peut être réalisé par incorporation des fibres dans le polymère en phase fondue.
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 13 Les particules ou fibres ainsi encollées sont alors distribuées pour former un matelas (ou MAT) d’épaisseur contrôlée, ou introduites dans un moule.
1.4.4. La mise en forme ou formage
Les techniques de mise en forme des panneaux de particules peuvent être classées en trois grandes catégories : le thermopressage, le thermoformage, et le moulage.
1.4.4.1. Le thermopressage
Le thermopressage consiste à la fabrication de panneaux de particules par compression de mat dans un moule avec application de la chaleur en présence d’un plastifiant éventuellement.
1.4.4.2. Le thermoformage
Le thermoformage est une méthode de production de panneaux de particules en deux phases qui consiste à faire acquérir, sous l’action de la chaleur et de la pression, une forme particulière à un matériau fibreux précédemment pressé en plaque. Le matériau de base est ramolli sous l’effet de la chaleur puis mis en forme sur un moule de forme simple. Le thermoformage de plaques ligno-cellulosiques pré-pressées peut se faire sous pression, par drapage, sous ventilation libre ou par simple collage de feuilles.
Ce procédé permet la mise en forme des panneaux intérieurs des portières des automobiles [12].
1.4.4.3. Le moulage
Le moulage est un procédé de mise en forme qui consiste à introduire dans un moule le mélange amorphe ou pulvérulent qui durcit ou se consolide en adoptant la forme de l’intérieur du moule. La consolidation se fait par simple séchage, par refroidissement (pour les matrices thermoplastiques) ou par apport de chaleur ou d’un précurseur physique ou chimique qui amorce la réticulation des matrices thermodurcissables.
Le moulage par compression et le moulage par stratification sont les procédés les plus adaptés au moulage des particules.
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 14 1.4.4.4. La finition
La finition des panneaux de particules intervient après le démoulage. Elle concerne les opérations visant la stabilité dimensionnelle des panneaux (traitements contre la prise d’humidité), la mise au format par sciage, ponçage, découpe et conditionnement et les traitements post-formage tels que la peinture, l’enduction de vernis, de produit de protection contre les agressions biologiques, et le placage.
1.5. Caractérisation des matériaux de synthèse
1.5.1. Caractérisation physique et chimique des matières premières végétales Les fibres naturelles se composent principalement de cellulose, d’hémicellulose et de lignine. Elles contiennent aussi des quantités faibles en protéines, extractibles et quelques composés inorganiques. Il existe différentes classifications de ces fibres. Les fibres dures, telles que le bois, forment un groupe à part entière qui représente environ 90% de la production mondiale [14].
Figure 1. 5 : Structure d’une fibre végétale [15].
La proportion de cellulose, d'hémicelluloses et de lignine varie d'une espèce à une autre.
À l'intérieur de chaque fibre, la lignine joue le rôle d'une matrice enrobant la cellulose, qui est une structure très rigide [15].
Tableau 1. 2 : Composition chimique de la source des tiges (Kénaf et coton) [16].
Le type de fibres
Cellulose Hémicellulose / pentosanes
Lignine Cendres
Kénaf
Coton (bois)
37-49 42,45
18-24 28,96
15-21 20,5
2-4 5,54
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 15 Tableau 1. 3 : Composants chimiques des organes végétaux [17].
Contenu (%)
Les espèces végétales textées (d’organes) Grewia Venusta (écorce
de la tige)
Bombax costatum (sépale) Matières minérales
Matières grasses Protéines
Cellulose Hémicellulose Lignine
9.55 1.14 4.06 50.32 21.12 3.82
5.47 0.83 7.87 22.58 39.82 4.95
1.6. Caractérisation physique du composite
• Masse volumique du panneau
La masse volumique du panneau est obtenue en faisant le rapport de masse de la plaque par son volume.
• Gonflement en épaisseur
Le gonflement est déterminé par l’augmentation de l’épaisseur de la plaque après 2 heures et 24 heures d’immersion totale dans l’eau.
1.7. Caractérisation thermique du composite 1.7.1. Définitions des propriétés thermiques
▪ Conductivité thermique 𝝀
La conductivité thermique est le flux de chaleur, traversant un matériau d’un mètre d’épaisseur pour une différence de température de 1 degré entre les deux faces. Elle permet de quantifier le pouvoir isolant de chaque matériau. Plus elle est faible, plus le matériau est isolant. Elle s’exprime en (𝑊.m-1.K-1).
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 16
▪ Résistance thermique R
Elle est utilisée pour quantifier le pouvoir isolant des matériaux pour une épaisseur donnée. Elle s’exprime en (K.W-1) et se calcule par :
R = e
λS (1.1)
▪ Coefficient de transmission surfacique U
C’est l’inverse de la résistance thermique. Il représente le flux de chaleur à travers 1m2 de paroi pour une différence de température de 1°C entre les deux environnements séparés par la paroi. Elle s’exprime en (W. m-2.K-1) et se calcule par :
U = 1
R (1.2)
▪ Capacité thermique volumique 𝝆𝒄
La capacité thermique volumique représente la capacité du matériau à stocker de la chaleur par unité de volume. Plus la capacité thermique volumique est élevée, plus le matériau pourra stocker une quantité de chaleur importante. Les isolants ont généralement une capacité thermique volumique assez faible.
Elle s’exprime en J.m-3.K-1. C’est le produit de la masse volumique 𝜌 (𝑘𝑔 𝑚-3) et de la chaleur massique 𝑐 (J.𝑘𝑔-1.𝐾-1).
▪ Diffusivité thermique 𝒂
La diffusivité thermique représente la capacité d’un matériau à transmettre un flux de chaleur. Elle s’exprime en m2.s-1, elle caractérise la vitesse à laquelle la chaleur diffuse dans un matériau. Plus la diffusivité thermique est faible, plus le flux de chaleur mettra du temps à traverser une épaisseur donnée du matériau et plus le temps mis entre le moment où la chaleur parvient sur une face d’un mur et le moment où elle atteindra l’autre face, est long. Elle a pour formule :
a = λ
ρc (1.3)
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 17
▪ Effusivité thermique 𝑬
L'effusivité d'un matériau est sa capacité à échanger par conduction de l'énergie thermique avec son environnement en fonction du temps. Les matériaux isolants ont une effusivité faible. Les matériaux ayant une grande inertie thermique ont généralement une effusivité élevée. Elle s’exprime en 𝐽 𝑠-1/2 m-2 K-1 et se calcule par :
E = √λρc (1.4)
On remarque que ces propriétés thermiques sont interdépendantes, c'est-à-dire qu’il est possible de les exprimer les unes en fonction des autres. Il suffira donc de connaître deux propriétés thermiques pour déduire facilement toutes les autres.
Actuellement les travaux de recherche montrent qu’il existe différentes méthodes, qui sont utilisées pour déterminer avec une bonne précision les propriétés thermiques des matériaux, qu’il faut connaître pour les améliorer et pouvoir les utiliser pour le dimensionnement des grandes structures [18].
Deux grands groupes de méthodes sont à considérer : - les méthodes en régime permanent
- les méthodes en régime variable.
Pour la première catégorie, le temps n’intervient pas et elles permettent d’obtenir uniquement la conductivité thermique 𝜆. Dans la seconde catégorie, les mesures sont effectuées en fonction du temps et permettent l’identification de plusieurs paramètres : conductivité 𝜆, diffusivité 𝑎, effusivité 𝐸 et autres groupements de 𝜆 et 𝜌𝑐, 𝜌 étant la masse volumique du matériau et 𝑐 sa chaleur massique.
1.7.2. Méthodes de la métrologie thermique
Il s’agit des méthodes en régime permanent, que celles en régime variable.
1.7.2.1. Les méthodes de mesure en régime permanent
❖ Méthodes des boites
Elle permet de déterminer la conductivité thermique en régime permanent et est couramment utilisée pour caractériser les matériaux de construction [19]..
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 18 Figure 1. 6 : Dispositif de mesure de la conductivité thermique par la méthode des
boites La conductivité thermique est donne par : 𝜆 = 𝑒
𝑆(𝑇𝑒−𝑇𝑓)[𝑈2
𝑅 − 𝛽(𝑇𝑏− 𝑇𝑎)] (1.5) E : échantillon de l’épaisseur, S : surface d’échange, Tb: température de la boîte, Ta : température ambiante, les températures Tc et Tf, U tension aux bornes de la résistance chauffante R
Cette méthode est simple à réaliser, mais la durée de mise en œuvre des tests avec cette méthode est assez longue
❖ Méthode de barre
Elle consiste à choisir un échantillon de grande épaisseur devant les dimensions transversales sans négliger les pertes latérales. Plusieurs mesures de la température sont nécessaires ainsi que la connaissance du flux de chaleur sur une section de la barre.
Ces données étant difficiles à connaître, on procède en général par comparaison en associant deux échantillons tels que les caractéristiques de l’un sont connues. La géométrie des échantillons des matériaux s’apparente à celle d’une barre. Ainsi, le modèle décrivant le transfert thermique au sein de ce type de milieu se ramène au cas de l’ailette, en régime permanent, soit :
𝜕2𝑇
𝜕𝑥2−ℎ𝑃
𝜆𝑆(𝑇 − 𝑇𝑎) = 0 (1.4)
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 19 Figure 1. 7 : Schéma de principe de la méthode de la barre [20].
h coefficient de convection, P périmètre de l’ailette, S section de l’ailette et Te température extérieure.
Cette méthode est très adaptée pour les bons conducteurs comme l’argent, le cuivre, l’or,
…. Elle n’est plus employée de nos jours, car elle est difficile à mettre en œuvre, tant sur le plan expérimental que sur le plan théorique.
❖ Méthode de la plaque chaude gardée
C’est une méthode de mesure stationnaire de la conductivité thermique des matériaux isolants. Son schéma de principe est le suivant :
Figure 1. 8 : Schéma de principe de la méthode gardée.
Une plaque chauffante délivre une puissance de chauffe φ0 constante et uniforme, transmise aux plaques extérieures à travers les échantillons placés de part et d’autre de la plaque chauffante. On s’assure que tout le flux 𝜑0 passe à travers l’échantillon. Le flux 𝜑1 est supérieur au flux 𝜑0 pour compenser les pertes latérales convectives. Des
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 20 thermocouples sont placés sur les deux faces de chaque échantillon pour mesurer les écarts de température ΔT1 et ΔT2.
La conductivité thermique s’exprime par : 𝜆 = 𝑒𝜑0
𝑆(∆𝑇1+∆𝑇2) (1.6)
Elle est utilisée pour caractériser tous types d’isolant dans la gamme de température de 20°C à 500°C et a fait l’objet d’une normalisation ISO 8302 :1991, NF EN 1946-2. Sa mise en œuvre est délicate [21]. Elle n’est pas adaptée aux matériaux ayant des aspérités.
1.7.2.2. Les méthodes de mesure en régime variable
❖ Méthode du régime régulier
La méthode du régime régulier permet de déterminer la diffusivité thermique des matériaux.
En considérant que : le transfert est tri directionnel ; l’échantillon représente un milieu homogène anisotrope ; les échanges de chaleur entre le fluide et les surfaces extérieures de l’échantillon obéissent à la loi de Fourier ; à l’instant initiale, la température de l’échantillon est uniforme et supposée être celle du régime permanent, l’équation de transfert de chaleur dans un milieu anisotrope tel que le bois est :
𝜆𝑥𝜕2𝑢
𝜕𝑥2+ 𝜆𝑦𝜕2𝑢
𝜕𝑦2+ 𝜆𝑧𝜕2𝑢
𝜕𝑧2 = 𝜌𝑐𝜕𝑢
𝜕𝑡 (1.7) 𝑢 = 𝑇(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) − 𝑇𝑓, est la différence entre la température instantanée de l’échantillon et celle du bain thermostaté.
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 21 Figure 1. 9 : Dispositif expérimental de la méthode du régime régulier
La diffusivité se calcule, pour les échantillons de forme parallélépipédique, par la formule :
𝑎 = 0,4057 𝑚1 𝑒𝑥2+1
𝑒𝑦2+1 𝑒𝑧2
(1.8)
Avec m la pente de la droite obtenue par une régression linéaire à partir des points expérimentaux dans le domaine du régime régulier, soit :
𝑚 =ln 𝑇1−ln 𝑇2
𝑡2−𝑡1 𝑜𝑢 𝑚 = 1
𝑡2−𝑡1× ln𝑇1
𝑇2 (1.9)
Des travaux antérieurs ont permis de conclure que la diffusivité thermique des matériaux pouvait être obtenue assez rapidement avec une précision acceptable en utilisant cette méthode [22]. Par contre, les incertitudes liées à cette méthode sont diverses ce qui rend l’exploitation des résultats un peu plus difficile.
On ne peut connaitre exactement le temps associé à l’apparition du régime régulier.
Lorsque l’étanchéité n’est pas correctement assurée, les propriétés thermiques mesurées pourraient varier avec la teneur en eau de l’échantillon.
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 22
❖ Méthode flash
Cette méthode permet d’estimer la diffusivité thermique des solides. On envoie sur l’une des faces d’un échantillon à faces parallèles un flux lumineux de forte puissance pendant un temps court. Un thermocouple en contact avec la face arrière permet d’enregistrer l’élévation de sa température à partir du moment où la face avant a reçu le flash.
Figure 1. 10 : Schéma de principe la méthode flash [23]
Ce dispositif permet d’obtenir un temps de réponse très court favorisant son utilisation pour caractériser les matériaux à diffusivité thermique élevée ou peu épais. On peut également utiliser une caméra infra-rouge moins précise, mais qui permet d’obtenir un champ de température.
Dans le cas d’un milieu poreux, le flash envoyé n’est pas absorbé intégralement au niveau de la surface. La caractérisation de matériaux hétérogènes nécessite des échantillons assez épais pour être représentatifs et dans ce cas le temps de montée de la température sur la face arrière devient très long et l’amplitude du signal devient très faible.
❖ Méthode du ruban chaud
La méthode du ruban chaud utilise une technique qui permet de mesurer la conductivité et l’effusivité thermique d’un matériau en régime transitoire.
Dans cette méthode, on a un dispositif dans lequel une résistance électrique plate de surface rectangulaire est insérée entre deux échantillons du matériau à caractériser (Fig.
1.11).
Le schéma du montage est le suivant :
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 23 Figure 1. 11 : Méthode du ruban chaud, en configuration symétrique, avec une mesure
de la température locale ou moyenne.
On aboutit à l’expression de la température de la soude : 𝑇𝑠(𝑡) =4𝜋𝜆𝐿𝜙0
𝑟ln 𝑡 + 𝐶 (1.10)
Lr Longueur du ruban, 𝐶 Constante, 𝑅c Résistance de contact
La méthode est simple à mettre en œuvre et les matériaux utilisés sont de faible coût.
Néanmoins, il faudra veiller à maintenir les hypothèses du milieu semi-infini et du transfert 2D durant l’expérience.
Pour caractériser des éprouvettes métalliques, il faut intercaler un film isolant ou utiliser une feuille résistive gravée sous forme de ruban et disposée entre deux couches de matériau isolant. Il ne faut pas que les transferts thermiques au sein du ruban, viennent perturber le champ de température dans le matériau testé [24].
❖ Méthode du fil Chaud
La méthode du fil chaud permet d’obtenir la conductivité thermique d’un matériau à partir de l’évolution de la température, mesurée par un thermocouple placé sur ou à proximité d’un fil résistif. La source de chaleur est linéaire et le fil chaud est encastré dans
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 24 l’éprouvette de mesure. On utilise cette méthode pour les isolants lourds dans la gamme de température de 20 à 1500°C et matériaux céramiques à conductivité thermique élevée.
Figure 1.9 : Schéma du montage de la méthode du fil chaud
C’est la méthode la plus connue et là plus utilisée dans l’industrie. Elle est assez précise, car l’inertie de la sonde et la résistance de contact n’influent pas sur la détermination de la température aux temps longs.
S’assurer que l’hypothèse du milieu semi-infini reste valable pendant la durée d’estimation choisie, car le temps de réponse du fil chaud est court ce qui ne permet pas son utilisation pour caractériser les matériaux moins denses ou de faible épaisseur.
❖ Méthode du disque chaud
La méthode du disque chaud en régime transitoire utilise une sonde de forme cylindrique constituée par une résistance de nickel sous forme d’un ruban enroulé en spirale sur un support souple polyamide.
Elle permet de déterminer la conductivité et la diffusivité thermiques d’un matériau.
Figure 1. 12 : Vue d’une sonde Hot disk
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 25 Cette méthode est applicable aux échantillons de grandes dimensions ou ayant une faible diffusivité thermique. Elle permet en outre d’obtenir une bonne précision.
L’inconvénient majeur est lié à la délicatesse et au coût élevé de l’équipement.
En effet, pour les essences de bois par exemple, la valeur de la diffusivité est de l’ordre de 10-7 m2. S-1 donc le temps de fin d’estimation est réduit, ce qui impose l’utilisation d’échantillons de grandes dimensions (environ 1m d’épaisseur) pour pouvoir rester dans l’hypothèse du milieu semi infini.
❖ La méthode du plan chaud
La méthode du plan chaud est mise en œuvre de manière extrêmement simple en utilisant une résistance chauffante plane au centre de laquelle on dispose un thermocouple réalisé en fils fins [25]. Une tension est envoyée aux bornes de la résistance chauffante. Pendant le temps où la perturbation n’a pas atteint les autres faces, le transfert au centre de l’échantillon est considéré comme unidirectionnel. La modélisation de ce transfert de chaleur permet de calculer l’évolution de la température au centre de l’échantillon. On utilise une méthode d’estimation de paramètres pour calculer les valeurs de l’effusivité thermique, de la capacitance thermique de l’ensemble constitué par la sonde, la résistance chauffante et de la résistance de contact à l’interface sonde/échantillon, ce qui permet de réduire l’écart entre les courbes théoriques et expérimentales.
Cette méthode a été très utilisée ces dernières années et a fait l’objet de plusieurs travaux de recherches. La méthode du plan chaud s’adapte aussi bien pour de grandes que pour de très faibles épaisseurs des matériaux. La méthode du plan chaud dans toutes ses variantes présente l’avantage d’une mise en œuvre simple et facile. De plus le dispositif a un coût abordable.
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 26 1.7.2.3. Variantes de la méthode du plan chaud suivant la mesure de
température
1.7.2.3.1. Principe du plan chaud asymétrique à une mesure de température
La méthode du plan chaud à une mesure de température repose sur le respect de l’hypothèse du transfert thermique unidirectionnel au centre du dispositif. Dans sa mise en œuvre, la durée du chauffage est estimée dans un premier temps à partir d’un programme de simulation écrit avec le logiciel Matlab, qui permet de tracer les courbes représentatives de l’évolution de la température du plan chaud fini et de celle du plan chaud semi-infini sur la face chauffée de l’échantillon. On procède ensuite à une pré- estimation des paramètres thermophysiques dans la partie du thermogramme où les deux courbes sont confondues et où il y a une bonne sensibilité des températures aux paramètres pour une élévation de température d’environ 10 °𝐶. La durée maximale d’estimation correspond à la zone où la courbe des résidus d’estimation est plate et centrée sur la valeur 0.
Les expériences sont faites dans les conditions requises : intensité du courant et durée de mesure choisies et on estime les paramètres thermiques
E , , R mc a
c, ,
etc avec les écarts-types d’estimation correspondants [18].
La figure 1.13 montre la procédure d’estimation des paramètres thermiques
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 27 Figure 1. 13 : Organigramme de principe de mesure des caractéristiques thermiques
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 28 1.7.2.3.2. Principe du plan chaud asymétrique à deux mesures de température
La méthode du plan chaud asymétrique est une méthode en régime permanent permettant d’identifier la conductivité thermique d’un système compris entre deux plans isothermes. Le schéma de principe d’une utilisation possible est présenté sur la figure 2.4.
L’échantillon est placé sur un élément chauffant ; au-dessous de ce dernier est placé un bloc d’isolant en polystyrène pour que la majorité du flux de chaleur émis par l’élément chauffant passe vers l’échantillon à caractériser (vers le haut). L’ensemble (échantillon, élément chauffant et blocs d’isolant en polystyrène) est placé ensuite entre deux blocs d’aluminium. Ces derniers, grâce leur conductivité, jouent le rôle de plaque isotherme afin de faire atteindre le système vers l’équilibre thermique le plus vite que possible.
Figure 1. 14 : Schéma du plan chaud asymétrique à deux mesures de température
❖ Estimation de la conductivité thermique
Nous plaçons un thermocouple pour mesurer la température To au centre de la face chauffée de l’échantillon, un deuxième thermocouple pour mesurer la température T1 de la face non chauffée de l’échantillon et un troisième pour mesurer la température T2 de la face non chauffée du bloc d’isolant en polystyrène.
Moyennant ces hypothèses, nous pouvons écrire :
∅ = ∅𝟏 = ∅𝟐 𝐚𝐯𝐞𝐜 ∅𝟏 =𝛌𝟏
𝐞𝟏(𝐓𝟎− 𝐓𝟏); 𝐞𝐭 ∅𝟐 =𝛌𝟐
𝐞𝟐(𝐓𝟎− 𝐓𝟐) (1.11) BLOC D’ALUMINIUM
ECHANTILLON 𝜙1
BLOC D’ALUMINIUM
ISOLANT POLYSTYRENE 𝜙2 THERMOCOUPLE 1
THERMOCOUPLE 2
𝑇1
ELEMENT CHAUFFANT 𝑇0
𝑇2
Réalisé par Rodrigue KPADJOUDA Page | 29
∅1 étant la densité de flux de chaleur traversant l’échantillon, ∅2 est la densité de flux de chaleur traversant le bloc d’isolant. ∅ étant la densité de flux de chaleur total émis par l’élément chauffant. λ1 est la conductivité thermique de l’échantillon que nous cherchons à déterminer, e1est l’épaisseur de l’échantillon. λ2 et e2 sont successivement la conductivité thermique et l’épaisseur du bloc d’isolant. Or l’élément chauffant n’est autre qu’une résistance électrique RΩ dissipant un flux par effet joule lorsqu’elle est traversée par un courant électrique (I) sous l’effet d’une tension (U) imposée à ses bornes, donc
∅ = 𝐔𝟐
𝐑𝛀.𝐒 (1.12) En considérant les équations (1.11) et (1.12), nous obtenons
𝛌𝟏 = 𝐞𝟏
𝐓𝟎−𝐓𝟏[ 𝐔𝟐
𝐑𝛀.𝐒 ] (1.13)
L’équation (1.13) permet de déterminer la conductivité thermique de l’échantillon une fois que le système a atteint le régime permanent.
1.8. Quelques travaux réalisés sur les matières végétales
Plusieurs chercheurs ont en effet travaillé sur des matières végétales. Voici quelques résultats de ces recherches.
Des travaux de Amen Yawo NENONENE (2009) sur l’élaboration et caractérisation mécanique de panneaux de particules de tige de kénaf et de bioadhésifs à base de colle d'os, de tannin ou de mucilage. Il part de la Synthèse et caractérisation physico-chimique des coques et tige entière de cotonnier, de tige de Kénaf et des différents liants (polystyrène recyclé et colle d’os) et aboutit à l’élaboration d’un matériau biosourcé à matrice synthétique, renforcé de coques de cotonnier et des panneaux de particules de tiges de cotonnier et de tiges de kénaf associés à un liant naturel. On retient que les caractéristiques des panneaux obtenus ont une densité de 540 kg.m-3 avec des modules de flexion et de rupture respectifs 450 MPa et 4,2 MPa.
