219 - De la valorisation des fibres végétales aux produits bio-composites

L'utilisation de fibres végétales ou lignocellulosiques dans la fabrication de matériaux composites a connu un essor important durant la dernière décennie. De plus, afin de valoriser les résidus plastiques provenant de collectes sélectives, il devient intéressant d'utiliser ces matières d'origine post-consommation comme matrice pour diminuer l'empreinte écologique de ces matériaux. Dans cette présentation, on traitera des différentes possibilités de fabriquer des composites en donnant les avantages et les inconvénients de chaque approche. Par la suite, on présentera des moyens techniques afin de modifier le comportement mécanique du composite final en utilisant des structures multicouches (sandwich), en ajoutant des additifs (agents compatibilisant et couplant) et en modifiant la morphologie. Finalement, on discutera de la possibilité de produire des pièces multifonctionnelles par l'introduction de fines bulles de gaz (produit moussé) pour fabriquer des pièces plus légères ayant un meilleur ratio coût/performance. Ces pièces possèdent aussi de meilleures résistances à l'impact tout en augmentant l'isolation thermique.

Dans ce travail, l'analyse des variations des propriétés thermo physiques des composites de thermoplastiques ayant des hauts points de fusion renforcés de fibres naturelles est réalisée en se basant sur l'étude du cas du Polyéthylène téréphtalate (PET) renforcé des fibres de chanvre. À cet effet, cinq formulations (1%, 5%, 10%, 15%, et 20%) ont été élaborées, en modifiant le PET et en traitant les fibres de chanvre. La mise en œuvre a été réalisée en deux étapes : i) mélange des différentes composantes dans une enceinte maintenue successivement à 240°C, 250°C, et 260°C et ii) moulage par injection. La stabilité thermique et les différentes propriétés thermo physiques ont été analysées en fonction du taux des fibres et de la température. Les formulations établies sont caractérisés par une bonne stabilité thermique en bas de 300°C. Ces résultats sont davantage pertinents aux applications comme le thermoformage, dont la mise en œuvre comporte multiples étapes.

L'utilisation des produits naturels dans les matériaux composites représente une bonne alternative pour réduire les impacts écologiques et économiques de l'utilisation excessive des produits pétroliers. Toutefois, la faible compatibilité entre les matrices organiques et les renforts naturels, généralement hydrophiles, limite leurs performances en comparaison avec les composites conventionnels. Afin d'améliorer les propriétés thermiques et mécanique de la matrice polyuréthane thermodurcissable (PU), dans ce travail, la montmorillonite (MMT) saudique (MMT-Na) a été modifiée chimiquement selon deux traitements distincts: Intercalation par un ammonium quaternaire d'une chaine à 18 carbones (MMT-C18) et Greffage d'un alkoxysilane à la surface (MMT-GPTMS).

Différents nano-composites ont été synthétisés par polycondensation in situ de l'huile de ricin avec l'argile et l'isophorone diisocyanate en présence d'un catalyseur. Les réactifs et les produits ont été caractérisés par Infrarouge à Transformée de Fourrier (IRTF), Diffraction en Rayon X (DRX), Analyse Calorimétrique à Balayage (DSC), Analyse Thermogravimétrique (ATG) et des tests mécaniques en traction. D'après les résultats de l'IFTR et de l'ATG, le taux de modification de l'argile est de l'ordre de 10% pour les deux traitements. Les résultats des analyses thermiques prouvent que l'ajout des différentes argiles augmente la stabilité thermique du PU. Les meilleures valeurs sont obtenues pour les nanocomposites à base de MMT-C18.

nous intéresserons dans ce travail à la caractérisation des propriétés mécaniques et thermophysiques des biocomposites polymère-bois. À cet effet, on considère une matrice de polyéthylène haute densité (PEHD) renforcée par les sciures de bois. Six concentrations de bois ont été considérés (0%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%). Les caractéristiques morphologiques, les propriétés mécaniques et les propriétés thermophysiques des biocomposites élaborés sont évaluées grâce à des analyses microscopiques (MEB), des tests de traction à température
ambiante et des tests d'analyse calorimétrique différentielle (DSC). L'addition des sciures de bois améliore les performances mécaniques et la stabilité thermique du bio-composite .

La durabilité biologique est un facteur majeur dans l'industrie du bois dans la sélection des essences pour certaines pplications. Pour augmenter la durabilité biologique du bois, plusieurs méthodes ont déjà fait l'objet de différentes études : l'utilisation de métaux lourds (chrome, cuivre et arsenic), la créosote, et une variété de composés organiques. Mais, ces méthodes sont limitées dans leurs applications en raison de leur toxicité. Le traitement thermique est une alternative aux méthodes traditionnelles de préservation du bois et augmente la durabilité et la stabilité dimensionnelle.

L'impact des différents paramètres du traitement thermique sur les propriétés mécaniques de Betula Papyrifera a été étudié dans un four prototype, suivi par les tests de résistance biologique et de stabilité dimensionnelle. Les résultats montrent une diminution significative dans le module de rupture avec une augmentation de la température, alors que le module d'élasticité ne semble pas être affecté. La dureté augmente avec la température de traitement maximale, et en absence d'humidité dans le gaz. On note également une amélioration de la stabilité dimensionnelle après le traitement thermique. Les tests de résistance biologique montrent clairement que le traitement thermique réduit l'effet de l'attaque des champignons sur Betula papyrifera. L'augmentation de la température de traitement thermique de 195ºC à 215ºC conduit à la réduction des attaques fongiques.

Grace à une plus grande sensibilisation pour l'environnement, cette dernière décennie a connu une utilisation croissante des fibres naturelles comme renforts dans les matériaux composites pour la fabrication des biomatériaux. D'après la littérature, après traitement chimique des fibres naturelles, on observe une croissance du module élastique et de la contrainte maximale en traction en fonction du taux de fibres.

Les fibres de bouleau et de tremble sont utilisées dans ces travaux, avec comme matrice LDPE et HDPE, pour 3% d'agent de couplage (MAPE). Après préparation sur un mélangeur, les ééprouvettes sont moulées par compression sous forme d'altère ISO 527-2 Type 1A avec 6 échantillons pour la traction. La mouillabilité des échantillons est déterminée par le test d'angle de contact alors que la dégradation thermique par analyse thermogravimétrique (ATG).

Les résultats nous montrent une croissance du module élastique de 187%, 230 %, 188% et 212% respectivement pour les composites LDPE/tremble, LDPE/bouleau, HDPE/tremble et HDPE/bouleau, entre 0% et 50% de fibres. Tous les composites testés ont des angles de contacts supérieurs à 90°. Les températures de décomposition des composites ont légèrement diminué avec l'augmentation du taux de fibre.

Bien que la température de dégradation du composites soit limité par celle des fibres, l'ajout des fibres de bois augmente la rigidité et avec l'obtention d'un matériau hydrophobe.

En raison des contraintes environnementales et économiques, plusieurs laboratoires internationaux ont entrepris des travaux sur le développement de nouveaux composites à base de matrices thermoplastiques et de renforts végétaux. Les avantages de ces renforts ont incité les chercheurs à développer des techniques pour l'extraction et la modification de fibres cellulosiques à partir des bio-ressources. En plus, la cellulose, comme charge bio-organique, présente l'avantage d'avoir des sites réactifs susceptibles d'interagir avec la matrice polymère en présence d'un agent compatible. Des études ont d'ailleurs démontré que les interactions chimiques et physiques entre la matrice et la distribution de la charge sont des facteurs déterminants quant à l'obtention de matériaux ayant de bonnes propriétés mécaniques.

Quant aux procédés de thermoformage, la thermoformabilité de ces nouveaux matériaux n'a pas encore été suffisamment élucidée. Il est donc primordial de déterminer les plages (en pressions, en températures, en concentrations des renforts, etc.) pour lesquelles ces nouveaux matériaux possèdent des aptitudes pour une mise en forme industrielle. C'est dans cette perspective que la communication proposée s'inscrit. Son objectif principal est le développement d'une méthodologie originale passant de l'élaboration du bio-composite au procédé de thermoformage d'une pièce.

Les composites thermoplastiques renforcés avec des fibres naturelles sont recyclables et écologiques, répondant aux nouvelles normes dans la conception des nouveaux produits. Cependant, un des obstacles majeurs au développement de l'utilisation de ces composites est l'effet de l'environnement, en particulier l'humidité et la chaleur qui peuvent entraîner la dégradation des pièces et les rendre impropres à l'usage. Le comportement hydrophile des renforts s'oppose à l'hydrophobie de la matrice, engendrant ainsi des mécanismes d'absorption différents, qui dépendent de la nature des fibres, des porosités dans le matériau et de la qualité d'adhésion fibre/matrice.

Ce travail s'intéresse à l'étude expérimentale et numérique du vieillissement hydrique d'un bio-composite à fibres courtes Chanvre/Polypropylène. L'effet de l'humidité sur ses propriétés mécaniques du matériau est évalué. Le modèle considéré pour la diffusion de l'humidité est celui de Fick qui est analogue au modèle différentiel de la diffusion de la chaleur. Il peut être résolu par analogie au phénomène de diffusion thermique avec un solveur par éléments finis en transfert de chaleur. Les résultats expérimentaux de diffusion sont comparés à une modélisation numérique par éléments finis. Même si les résultats numérique et expérimental présentent une bonne corrélation, un modèle non-Fickien sera plus réaliste pour modéliser l'absorption d'eau dans ce matériau.

Les transformateurs de puissance sont les organes vitaux des réseaux de transport et de distribution de l'énergie électrique. Ils représentent des composants critiques dont toute défaillance peut entrainer des pannes de réseaux aux conséquences extrêmement coûteuses. Parmi les principales causes de pannes des transformateurs, figure la détérioration des isolants. Plusieurs facteurs peuvent entrainer la dégradation de l'isolation d'un transformateur tel la présence de l'humidité dans l'isolant et le processus de vieillissement. Dans ces circonstances, il s'avère nécessaire de mettre en place des moyens de surveillance et de diagnostique non destructifs de l'isolation afin de pouvoir disposer d'informations nécessaires à la prise de décisions. L'objectif de cette recherche est d'étudier l'effet de divers paramètres entrainant la dégradation du système de l'isolation liquide et solide des transformateurs par la spectroscopie diélectrique dans le domaine fréquentiel (FDS).

Nous analysons en premier lieu l'impact de l'humidité, de la température et du vieillissement et leurs influences sur les réponses diélectriques (FDS). Une corrélation entre ces mesures et l'état de dégradation de l'isolation est ensuite proposée en vue d'améliorer nos connaissances de la spectroscopie diélectrique dans le domaine fréquentiel et de prédire « l'état de santé » des transformateurs de puissance.

Dans ce travail nous intéressons à la caractérisation biaxiale en soufflage libre du comportement des membranes bio-composites thermoplastiques circulaires. Le modèle de comportement hyperélastique de Mooney-Rivlin est considéré. Dans un premier temps nous utilisons la méthode des différences finis à pas variables pour la résolution du problème d'équilibre de la membrane et, ensuite, un algorthme de réseaux de neurones est considéré pour l'apprentissage et pour l'identification des constantes matérielles du matériau. Les variables expérimentales utilisées dans l'analyse sont la pression et la hauteur au pôle de la membrane.

Pour des applications ciblées en ingénierie, les matériaux bio-composites thermoplastiques, renforcés par des fibres végétales, représentent pour plusieurs laboratoires internationaux une nouvelle génération de matériaux. Toutefois, pour des applications en thermoformage, le transfert de chaleur par radiation infrarouge dans ces matériaux n'est pas suffisamment élucidé dans la littérature scientifique et est à ses débuts. Dans cette étude, nous avons établi par la méthode des éléments finis 3D une approche simplifiée pour l'analyse transitoire de transfert de chaleur par radiation infrarouge dans un matériau polymérique chargé de fibres végétales. La chaleur spécifique et la masse volumique sont caractérisées en fonction de la température et de la concentration massique des renforts. La conductivité thermique à été obtenue à l'aide de la méthode de flash et l'utilisation d'un algorithme d'optimisation de type moindre carré. Une validation expérimentale de chauffage est effectuée au laboratoire de biomatériau de l'UQAT sur le polyéthylène téréphtalate (PET) non chargé et sur le polyéthylène haute densité (PEHD) renforcée par des sciures fines de bois.

Le bois est un matériau hygroscopique dont la teneur en humidité dépend fortement de son environnement. D'où la nécessité de traiter le bois afin de lui conférer une stabilité dimensionnelle et une résistance à toute attaque des organismes microbiologiques. Dans le contexte actuel de lutte contre la pollution de l'environnement, le traitement thermique du bois à haute température représente une alternative aux traitements chimiques pour la préservation du bois.

La modélisation mathématique permet de maîtriser et d'optimiser les paramètres opératoires en vue d'obtenir une meilleure qualité de bois traité. Néanmoins, l'anisotropie et le caractère hygroscopique du bois rendent complexes les phénomènes de transport de chaleur et de masse qui se produisent durant la torréfaction des bois.

Un modèle mathématique tridimensionnel est développé. Il couple les phénomènes de transport dans le gaz (équations de Navier-Stokes) et la conduction de chaleur et de masse dans le solide bois, via une interface définie à la surface du bois. Ce modèle constitue un outil solide dans la prédiction non seulement de la qualité du bois traité, mais aussi de son comportement durant le
traitement thermique. À l'aide de cet outil numérique, des paramètres d'opération sont étudiés. Dans cet article, le modèle et les résultats de l'étude paramétrique seront présentés

Les biocomposites étant des matériaux naturels, il n'est pas facile d'assurer une reproductibilité de leurs propriétés mécaniques, contrairement aux composites à fibres synthétique. Cette particularité est un obstacle empêchant leur utilisation dans la conception de pièces structurales. Pour améliorer la durabilité et favoriser l'utilisation de ces matériaux dans l'industrie, le comportement de ces matériaux doit nécessairement être évalué. Ce travail vise d'une part la mise en œuvre d'un matériau éco-composite et d'autre part l'évaluation de ces propriétés élastiques par différentes techniques [1]. Dans cette recherche on désire réconcilier par des méthodes d'intelligence artificielle, en particulier la logique floue des mesures obtenues de techniques différentes, réalisées avec des outils performants respectant des normes, tout en prenant en compte les incertitudes de chaque technique. Les contraintes associées à diverses déformations par des essais de traction selon les normes ASTM et ISO ont été mesurés. Les résultats montrent que les modules de Young mesurés varient en fonction de la norme utilisée. Le module final a été calculé en utilisant une fonction d'appartenance triangulaire dans la méthode de logique floue

En plus d'être recyclables, les composites à fibres de bois (biocomposites) présentent des propriétés mécaniques intéressantes et font la concurrence à des matériaux non dégradables dans plusieurs domaines d'application [1, 2] (dans cette étude, nous visons les systèmes de transmission à engrenages). Pour cela, il faut étudier le comportement de ces matériaux ainsi que leurs modes d'endommagement. Cette étape est nécessaire pour une utilisation fiable et sécuritaire des biocomposites. Dans ce travail, un matériau biocomposite a été développé avec des fibres naturelles de l'industrie papetière (Bouleau) mélangées à une matrice thermoplastique (Polyéthylène). Des essais de traction monotone et cyclique ont permis de mesurer les propriétés mécaniques du matériau. L'instrumentation des éprouvettes avec des capteurs d'émission acoustique (ÉA) a permis d'évaluer l'endommagement de notre matériau. Nous avons utilisé des réseaux de neurones artificiels pour déterminer les caractéristiques de chaque mode de rupture. À ce stade de notre travail, il peut être affirmé que le protocole de fabrication utilisé dans ce travail montre une bonne reproductibilité des mesures avec un faible écart-type. De plus, l'utilisation de l'ÉA a permis de déterminer les différentes phases spécifiques traduisant l'évolution du comportement du matériau élaboré.