Fibres de lin pour renforcer des polymères. Spécificités

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1 Fibres de lin pour renforcer des polymères. Spécificités Pr. Christophe BALEY Limatb / Université de Bretagne Sud Lorient / Christophe.baley@univ-ubs.fr Nancy le 26 nov213 Sommaire Introduction Une tige de lin = Matériau composite Une fibre élémentaire = Nanocomposite Remarques sur les biocomposites Bilan 1

2 Introduction 1/2 produits / Optimun? 2

3 Des fibres performantes, durables et biodégradables Propriétés mécaniques en traction Contrainte à rupture (MPa) Module d'young (GPa) Ortie (Urtica Doïca) Lin Chanvre Densité: Fibres de verre d=2,54 Fibres végétales d = 1,4 1,5 Traction sur fibres unitaires Protocole identique Conditions de caractérisation identiques 3

4 Tige = un matériau composite Lin / Analyse d une tige Faisceaux de fibres Diamètre d une tige ~ 2 mm L L = 25mm to 8 mm Les fibres renforcent la tige, Une tige est un matériau composite, La cohésion entre les fibres est très forte (fonction assurée par les lamelles mitoyennes), La tige est renforcée par des fibres courtes. 4

5 ε Traction Compression Fibres (T/hect) 1922,8 1, ,4 1, ,4 2,6 *** * [Franck 25] Bast and other plant fibres De la tige au matériau composite Extraction, division, nettoyage des surfaces, modification de la compatibilté fibre/matrice. But: une distribution régulière des fibres dans la matrice Faisceau de fibres de lin 5

6 Etapes de production des fibres de lin Teillage, peignage 6

7 28/1/214 Influence du rouissage sur les propriétés R1 R3 R6 Rouissage optimun Rouissage faible E σ A (%) (GPa) (MPa) Rouissage optimun pour des R applications textiles R [Martin et al. 213] R Influence du temps de rouissage sur les propriétés mécaniques en traction de fibres élémentaires Lots Fibre élémentaire 7

8 Élongation PP Initiation PS Épaississement PS Élongation: 1 à 2 cm par jour pendant 2 à 4 jours Scheme of snap point position (red line) on flax stem in the course of plant development (Gorshkova et al. 23) Lors de la période de croissance, la plante réagit en fonction des conditions pedoclimatiques qu elle subit. Paramètres: Sol / les précipitations/ la température/ le nombre de graines au m² / vent / variété/ apport azote / traitements / la période d arrachage Développement intrusif Élongation Paroi Primaire Initiation Paroi Secondaire Épaississement Paroi Secondaire [Hock 1942 / flax] [Ageeva 25] 8

9 Une fibre = un empilement renforcé par des fibrilles de cellulose / nanocomposite Polymères No cellulosique Microfibrils de Cellulose (75% in masse) S3 θ Paroi secondaire S2 S1 Paroi Primary primaire wall Cell (Epaisseur:.1-.5 µm) P [Baley 213] Cellulose E = 13 Gpa à 17 GPa σ = 8 Mpa ( [Morvan 23] Nano Scale Layer S2 (the secondary cell Wall) [C. Morvan 23] Reinforcement Matrix Pectins Interphase L L = 2 to 4 nm Reinforcement (cellulose microfibrills) 9

10 Influence de l angle microfibrillaire? Angle microfibrillaire Contrainte (MPa) Ortie Lin MFA ( ) Lin (Bourmaud 212) 9 Chanvre (Placet 211) Allongement (%) Courbes types contrainte-allongement. Essai de traction fibre d ortie et de lin. (Baley, 22) (Bodros et Baley, 28) [Bourmaud et al. 212] Composition d une fibre de lin Composition d une fibre de lin 65 75% de cellulose % hémicellulloses % pectines % eau + cires + lignine Et si on chauffe? Libération de l eau 18 C 45 C 23 C A 12 C il n y a plus d eau + dégradation des cires, 12 C A 18 C dégradation des pectines A 23 C on note une dégradation des hémicelluloses et cellulose Paramètres: temps et température Evolution des performances avec un cycle thermique 1

11 Comportement en fatigue,3 Effort (N),2,1 5 1 Temps (s) (Baley 22) 1,8 1,6 Ef(n) / Ef() 1,4 1,2 1,8,6,4,2 Fibre de Lin Fibre de verre E,2,4,6,8 1 n / N Fibre de lin - Influence de l eau absorbée Fibre avec 7% d eau absorbée Fibre de lin après un traitement thermique de 12h à 15 C 11

12 Remarques sur les biocomposites Un fil de lin est composé de fibres élémentaires torsadées Bundle of fibers or no? Individualization? [Coroller et al. 213] 12

13 Recyclage PP/fibres végétales (Injection) Rapport d'aspect PP-Verre PP-Chanvre PP-Sisal [Bourmaud et al. 211] [Bourmaud et al. 29] [Bourmaud et al. 27] Cycles d'injection Module d'young (MPa) Cycles d'injection PP-Chanvre PP-Sisal PP PP-Verre Unidirectionnel en traction longitudinale 3 Module d'young Specif. (GPa/d) en f(vf) (%) Data Limatb 1 Litterature 5 Glass Contr. Specif à rupt. (MPa/d) en f(vf) (%) [Coroller et al. 213] 15 Data Limatb 1 1 Data Limatb 2 5 Litterature Glass

14 UD lin/époxy Habituellement: rupture de fibres, de matrice, d interface + déchaussement de fibres Fibre végétale = empilement Remarque sur la notion d interface Conséquence d un traitement thermique maladroit [Baley 213] 35 Essais de déchaussement d une microgoutte Contrainte apparente de cisaillement Interfaciale Apparent shear straength (MPa) [Baley et al. 26] [Le Duigou et al. 21 / A] [Le Duigou et al. 21 / B] 14

15 Unidirectional Transverse behavior C B A Pitch carbon fibers Crack propagation: (A) Between fibers (B) Between fiber and matrix (C) In fiber [Baley et al.26] The cohesion (stickiness, toughness) of a cell wall is function : biochemical composition, percentage of absorbed water, thermomechanical cycle during the process + retting Présentation des fibres Mat Contrainte (MPa) Tissu 1,5,1,15,2,25 Déformation (mm/mm) Direction de sollicitation 15

16 Traitements des fibres [Baley et al. 26] Fibres brutes NaOH Stress (Mpa) Enzymatique Raw flax 1% NaOH 5% NaOH 1% NaOH [Raj et al. 29] Strain (%) Des interfaces θ S3 S2 Paroi secondaire S1 P Paroi Primary primaire Cellwall [Baley et al. 214] 16

17 Bilan Points abordés Une fibre de lin a un rôle structurel Une tige = un matériau composite Fibres ont un rôle de soutien, elles sont assemblées en paquet Nécessité d un rouissage pour les extraire Un fibre élémentaire et un empilement nanostructuré Le développement et la composition des cellules influencent leurs propriétés et leurs géométries Les fibres de lin sont anisotropes Il est nécessaire de tenir de compte de leur composition Pour optimiser le renforcement il faut tenir compte des spécificités des fibres. Présentation optimale? Il existe des interfaces Début de l histoire (polymères renforcés par des fibres végétales), 17

18 Merci de votre attention. «Ce n est pas seulement du blé qui sort de la terre labourée, c est une civilisation toute entière.» Lamartine 18