205 - Écomatériaux : de l’élaboration du matériau aux produits de construction

Depuis plusieurs années, le développement des matériaux composites à base de fibres naturelles est un sujet d’intérêt pour plusieurs raisons. Pour les renforts, les fibres sont biosourcées, disponibles, renouveleables et peu dispendieuses. Pour la matrice, les résines thermoplastiques sont très variées, recyclables et faciles à mettre en œuvre. En tenant compte de la grande variété de fibres et de matrices disponibles, un nombre quasi infini de possibilités s’offre à nous pour le développement de matériaux ayant une large gamme de propriétés (surtout mécaniques et thermiques). Dans cette présentation, des développements récents seront présentés en termes des différentes fibres (bois, chanvre, lin, etc.) et des procédés de fabrication (compression, extrusion, injection, rotomoulage, etc.). Une présentation des différentes structures (composites hydrides, moussés, à gradient de composition, etc.) sera faite afin de comparer leurs propriétés finales selon l’application visée (construction, emballage, transport, etc.). Les différents additifs dans les formulations et les traitements possibles des fibres seront discutés afin d’améliorer les matériaux et leur fabrication. Finalement, des ouvertures pour travaux futurs seront présentées afin de développer de meilleurs matériaux avec une emprinte environnementale plus faible.

Les composites bois-polymères (CBP) hautement chargés en fibres sont très sensibles à l’eau et leur prise d’eau dégrade considérablement le matériau. Cette étude vise à tester diverses alternatives pour améliorer la stabilité dimensionnelle de ces CBP soient : les traitements chimiques et thermiques des fibres, l’ajout d’un agent de couplage et l’application de revêtement étanche à base d’époxy-durcisseur. Chacune des approches a amélioré la stabilité dimensionnelle sans toutefois atteindre l’objectif d’un changement dimensionnel nul. La combinaison des trois approches a permis d’assurer des composites ayant un gonflement en épaisseur nul et une absorption d’eau négligeable pour une teneur en fibres de 60% après 1 mois d’immersion dans l’eau. Les traitements chimiques et l’emploi de l’époxy-durcisseur ont amélioré la plupart des propriétés mécaniques. Ceci est dû à la bonne adhésion entre la plupart des CBP et l’époxy. En effet, le prétraitement chimique s’est révélé être efficace en termes d’activation de la surface des fibres.

Ces dernières années, les composites renforcés par les fibres lignocellulosiques (comme le chanvre, le lin et le jute) ont été utilisés avec succès pour des applications légères, en particulier dans les secteurs de l'automobile et de la construction. Cependant, des barrières importantes pour les applications structurelles de ces composites existent encore. La pleine acceptation des composites de fibres naturelles pour les composants structuraux a été encore limitée par leur structure morphologique complexe inhérente et leurs variations en ce qui concerne la composition chimique, la cristallinité, les propriétés thermomécaniques, la rugosité de surface et le profil.

L'objectif principal du présent travail est d'étudier les possibilités d'optimiser et d'adapter les propriétés et les performances des composites renforcés par des fibres de chanvre et la farine de bois en construisant une configuration de type hybride. Afin de mieux comprendre les mécanismes de renforcement dus aux charges et évaluer l'intérêt que peuvent apporter les composites, nous avons choisi d'élaborer des composites modèles à matrice polypropylène (PP). Ce type de composite est particulièrement utile dans les applications où une résistance à la flexion est requise, comme les panneaux de plancher et de mur, les portes et autres éléments structurels. Une bonne résistance aux chocs est également requise dans ces applications, en particulier lorsqu'elles sont utilisées dans des applications de transport.

Les Biocomposites à matrix de polymère ont vu leur demande croitre considérablement. Ceci est due aux propriétés que présente ce matériau renforcé par des fibres végétales ; dans notre cas des fibres de bouleau jaune (Betula lutea). Néanmoins des inconvénients pourraient se présenter, ceci étant lié à l’absorption d’eau par la fibre, à la possible infestation par des microorganismes tel que Gloephyllyllum trabeum (Champignon de putréfaction brune) qui s’attaquerait à la structure végétale pouvant la dégrader ; dans les deux cas la résultante serait une perte considérable de propriétés mécaniques que présente exceptionnellement ce type de matériau. L’utilisation de pigments d’oxyde de zinc utilisé comme revêtement ou encore employé pour traiter directement les fibres pourrait être une solution pour son absorption d’eau. L’utilisation d’un fongicide ou d’une association de différents fongicides seraient aussi une alternative pour prévenir et éviter une propagation de champignons et d’autres microorganismes opportunistes. Dans la même perspective, l’oxyde de zinc pourrait aussi avoir un impact positif améliorant des propriétés mécaniques des engrenages a transmission en biocomposites.

Ces travaux portent sur  l'étude des paramètres d'injection pour la fabrication de composites HDPE à fibres de bois ;  les proportions massiques de fibres de bois variant entre10 et 40%. Ainsi, les paramètres d'injection tels que la pression et la température d'injection, le temps de refroidissement ont été variés et l'influence de chaque paramètre pendant le processus d'injection est déterminée en utilisant le plan expérimental L4 de Taguchi. Des échantillons de flexion, de traction, d'Izod et d'impact ont été fabriqués et les tests respectifs ont été effectués.
 Les résultats de cette étude ont montré que les modules d'Young et de flexion, la contrainte maximale, les énergies absorbées à la rupture par variation des paramètres d'injection sont meilleures que celles obtenues par thermo compression. De plus, l'augmentation de la teneur en fibres dans le composite conduit à une augmentation très substantielle des modules. Parmi les paramètres d'injection étudiés (pression et température d'injection, temps de refroidissement), la température d'injection est le paramètre le plus déterminant à contrôler lors du processus d'injection

Dans le contexte mondial actuel, la réduction de la consommation énergétique et la réponse aux soucis environnementaux deviennent une préoccupation majeure et présentent à la fois des enjeux sociétaux, économiques et sanitaires très importants. Dans ce cadre, un des soucis industriels majeur s’articule autour de deux volets essentiels: (i) l’allégement des structures et (ii) l’utilisation des matériaux respectueux des critères environnementaux. De plus en plus, ces dernières décennies, on se dirige vers une utilisation de matériaux légers, recyclables et/ou d’origine naturelle.

Les défis technologiques et scientifiques sont d’apporter de nouvelles réponses en vue d’élaborer de nouveaux éco-matériaux utilisant des renforts à base naturelles. Dans cette perspective, on note l’émergence de plusieurs travaux de recherche qui portent sur l’élaboration et la caractérisation physico-chimico-mécanique de différents types d’éco-matériaux utilisant généralement des fibres ou des particules végétales (Halfa, jute, palmiers, arganier, etc.) ou animales (laines de mouton, cornes, etc.).

Cette conférence donnera une large vue sur l’intérêt du développement de nouveaux éco-matériaux pour la fabrication de produits fonctionnels basés sur une construction durable répondant aux contraintes environnementales. Cette piste de recherche exige de relever certains challenges scientifiques pour optimiser l’utilisation des matériaux issus de la nature en combinant des connaissances multidisciplinaires.

Les matériaux éco-composites font l’objet d’un nombre de recherches croissant depuis quelques années. En effet, outre leurs bonnes performances écologiques (ressources renouvelables, biodégradabilité , etc.), ils offrent aussi de très bonnes propriétés spécifiques (performances mécaniques rapportées à la masse) : un atout particulièrement recherché par les industriels du transport et des sports et loisirs. Toutefois, ces matériaux semblent aujourd’hui restreints à des utilisations non structurelles, en raison entre autres d’un manque de connaissances de leur comportement.

Cette étude propose d’identifier et de décrire les mécanismes d’endommagement d’un composite à matrice thermoplastique renforcée de fibres de lin, mis en œuvre par infusion de résine liquide. Ce travail présente une analyse expérimentale de son comportement en traction. Contrairement aux composites classiques, ce polymère renforcé de fibres végétales présente un comportement non linéaire jusqu’à la rupture. Différents moyens ont été mis en œuvre pour expliquer ce comportement, comme des essais de traction monotones ou cycliques, des analyses microscopiques et l’utilisation de la technique de l’émission acoustique. Ainsi, les signaux acoustiques enregistrés pendant les essais sont classifiés de manière non supervisée selon des descripteurs temporels. Les caractéristiques physiques de ces classes sont quantifiées et les effets de ces évènements sur le comportement mécanique du matériau sont discutés.

Cet article présente une étude expérimentale et analytique de structures en béton armé renforcées par des matériaux composites à base de fibres naturelles. En effet, les fibres naturelles biosourcées comme les fibres de chanvre, de coton ou de lin sont utilisées dans le secteur du génie civil depuis longtemps dans le cadre de l’isolation thermique ou phonique pour leurs excellentes propriétés physiques thermiques. Cependant, jamais ces fibres n’ont été utilisées dans le secteur du renforcement des structures en béton armé. Ces dernières constituent une alternative dans le domaine du renforcement des ouvrages en génie civil.

Dans cette étude, de nombreuses fibres (carbone, chanvre, fibre de verre et lin) ont été testées en traction et en flexion et comparées à ceux des fibres de carbone. Une étude paramétrique a été menée sur l’influence de l’épaisseur du composite biosourcés. Les résultats montrent une augmentation remarquable du double des résistances à la flexion et aux cisaillements des structures renforcées. Cet article présente brièvement les résultats d'essais réalisés sur différentes poutres renforcées avec différentes plaques de renfort à base de fibres naturelles. Les tests ont été présentés en examinant l'influence du renforcement sur la capacité ultime, l'élément de rigidité. Les résultats ont montré une concentration de contraintes de cisaillement aux extrémités du joint adhésif. Les différents types de ruptures sont examinés également.

L’allégement des structures mécaniques constitue une préoccupation primordiale dans le domaine de l’ingénierie des matériaux en vue de la réduction de l’utilisation de la matière. C’est dans ce cadre que le développement des multi-matériaux, connus sous le vocable « matériaux sandwiches », a permis de combiner leurs propriétés mécaniques ainsi que leur légèreté. A cet effet, l’élaboration de nouveaux matériaux intégrant à la fois du métal et du composite connait une voie de recherche intéressante. Ces matériaux sont connus sous le vocable anglophone de FML (Fibre Metal Laminates). Souvent, les alliages d’aluminium et les composites à fibres synthétiques sont utilisés pour la fabrication des FML.

Ce travail porte sur l’utilisation des fibres naturelles pour l’élaboration de nouveaux FML à base de tissus en jute 2D et 3D, avec des plaques en aluminium. Un accent est mis sur le couplage entre les précédés d’élaboration et les propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux sandwiches. Plusieurs configurations ont été fabriquées et testées conduisant à une étude paramétrique intégrant à la fois le type de tissage (2D et 3D) et la nature de la matrice polymérique (thermoplastique, thermodurcissable). Cette étude a montré l’apport des fibres en jute ainsi que les matrices thermoplastiques pour la performance à l’impact de ces nouveaux matériaux sandwiches.

Les déchets de coquillages présentent des quantités énormes conduisant à des problèmes environnementaux. Afin de lutter contre l’excès de ce type de déchets, les coquillages de mer sont de plus en plus utilisés comme bio-charge pour les matériaux composites sous forme de particules.

L'objectif de ce travail est d'étudier, numériquement, l'effet de la taille et la forme des particules sur les propriétés élastiques effectives du bio-composite renforcé par des coquillages de mer. À cet effet, une étude morphologique, basée sur une analyse granulométrique et d’images, a été réalisée pour identifier la distribution morphologique des particules de coquillages. Par la suite, plusieurs configurations de microstructures ont été générées en faisant varier la taille et la forme des particules. Pour chaque cas de microstructure, les particules de coquillages ont été introduites avec différentes fractions volumique dans une matrice polymère. Puis, une technique d’homogénéisation numérique, basée sur des éléments finis (EF) et un Volume Élémentaire Représentatif (VER), a été utilisée pour calculer les propriétés élastiques effectives des bio-composites. Les résultats ont montré que l'ajout de particules de coquillages améliore considérablement les propriétés élastiques effectives d'un composite à matrice en polyester. Tandis que la morphologie des particules de coquillages présente un effet négligeable sur les propriétés élastiques effectives du bio-composite au-delà de la taille du VER.

Afin de réduire les émissions de formaldéhyde, une étude expérimentale de panneaux de particules légers à base d'anas de lin, préparés à l'aide de deux liants différents : la lignine bio-sourcée (lignosulfonate) et la résine époxy partiellement biosourcée (greenpoxy 56), a été réalisée. Les panneaux de particules à base d’anas de lin (avec une densité cible de 500 Kg/m³) ont été élaborés par le procédé de thermocompression utilisant 20 % en masse de la teneur en liant. Les anas de lin ont été directement valorisés sans aucun prétraitement, afin de qualifier leur potentiel en tant que matière première. Les essais de résistance à la flexion, à la compression et au feu ont montré que les performances mécaniques et de résistance à la flamme des panneaux de particules à base de lignosulfonate étaient élevées par rapport à celles des panneaux à base de greenpoxy56. Néanmoins, ces derniers se sont avérés avoir une stabilité dimensionnelle intéressante après immersion dans l'eau et de bonnes propriétés isolantes. En outre, les panneaux de particules à base de lignosulfonate et de greenpoxy 56 répondaient aux exigences minimales de la norme EN 15197 pour les panneaux de lin non porteurs destinés à être utilisés dans des conditions sèches (type FB2). Ces résultats illustrent la compétitivité des panneaux de particules étudiés, en tant que structures bio-sourcées, par rapport aux panneaux à base d'urée-formaldéhyde