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Rapports FAT nº 575. Matériaux à base de fibres végétales, Etat de la technique et possibilités de développement
Andreas Keller, Station fédérale de recherches en économie
et technologie agricoles (FAT), Tänikon, CH-8356 Ettenhausen
Le renforcement des matières plastiques à l’aide de fibres végétales diminue les problèmes d’élimination, car les matériaux à base de fibres végétales sont plus faciles à recycler ou à brûler que les matériaux à base de fibres de verre. Lorsque des matières plastiques biodégradables sont renforcées à l’aide de fibres végétales, ces matières res-tent biodégradables et peuvent également être utilisées dans des situations où elles sont soumises à des charges. Les fibres de chanvre utilisées jusqu’ici affichent un potentiel de renforcement qui n’est pas entièrement exploité, car les fibres se présentent en faisceaux. De ce fait, il est impossible d’obtenir une distribution homogène des fibres dans la matrice. Le dégommage des faisceaux de fibres libère les fibres élémentaires, avec lesquelles il est possible d’obtenir un effet de renforcement, presque aussi performant qu’avec les fibres de verre. Ainsi, la résistance à la traction d’une matière plastique biodégradable a pratiquement pu être doublée grâce à son renforcement par 27% de fibres de chanvre dégommées. Le renforcement a également multiplié par quatre la rigidité de la matière. On pourrait encore améliorer les propriétés mécaniques des matières en augmentant la longueur moyenne des fibres de chanvre qui composent l’élément structural. Pour ce faire, il faudrait développer de nouveaux procédés de fabrication permettant de ménager les fibres. Un taux de fibres croissant n’apporte pas uniquement une augmentation des propriétés mécaniques, mais accélère également la décomposition biologique du matériau composite dans la terre. De cette manière, il est possible de déterminer le processus de décomposition des éléments structuraux en fonction des applications, p. ex. pots de germination destinés à l’horticulture.
Fig. 1 : A gauche : Photo MEB de fibres de chanvre séparées mécaniquement. 20 à 50 fibres élémentaires sont réunies en un faisceau de fibres par des substances colleuses. A droite : Les fibres de chanvre séparées par explosion de vapeur sont bien isolées grâce à l’élimination de la majeure partie des substances colleuses. Leur surface semble plus lisse que celle des fibres séparées mécaniquement.
Fig. 2 : La photo MEB de gauche montre une surface de rupture d’un matériau composite en copolyester renforcé avec 25% de fibres séparées mécaniquement. Les fibres élémentaires des faisceaux n’ont pas été séparées par les processus d’extrusion et d’injection, tandis que les fibres séparées explosion de vapeur, dans le matériau figurant sur la photo de droite, apparaissent réparties de manière homogène.
Etat de la technique
Les plantes se composent d’éléments qui peuvent résister aux charges. Ces éléments apparaissent souvent sous la forme de matériaux composites à base de fibres. Le bois ou les tiges des graminées se composent par exemple de fibres de cellulose, prises dans de la lignine, de la pectine et de l’hémicellulose. Plusieurs de ces composites à base de fibres naturelles présentent des propriétés mécaniques, susceptibles d’être utilisées dans les domaines techniques. Certes, leur utilisation pour la construction d’éléments structuraux à base de surfaces irrégulières est limitée par leur faible capacité à être déformées. Pour palier à cet inconvénient, les fibres naturelles peuvent être extraites de la plante par des procédés mécaniques et réassembler, à l’aide de polymères synthétiques ou naturels, en de nouveaux matériaux composites, susceptibles d’être transformés à l’échelle industrielle. Les nontissés de fibres naturelles, généralement imprégnés de polypropylène comme matrice, servent déjà à fabriquer des pièces par moulage par compression dans l’industrie. C’est ainsi notamment que les entreprises comme Audi, BMW, Ford, Seat et VW fabriquent les garnitures de portes et les garnitures latérales, les plaques et protection latérales des coffres arrières à partir de composites à base de fibres naturelles [1]. Par rapport aux matériaux à base de fibres de verre, ces matières sont plus légères et se comportent mieux en cas de crash. Outre ces matières composites qui sont transformées en éléments structuraux à géométrie simple, des efforts sont également faits pour obtenir des pièces injectées renforcées avec des fibres végétales, pour la fabrication de petites pièces jusqu’à des pièces de la taille d’une harasse. Outre le polypropylène, matière synthéti-que renforçable classique, on utilise également ici des matières à base de résine naturelle ou de lignine. La technique de mise en place et de récolte des plantes à fibres indigènes comme le lin et le chanvre est très développée et peut s’adapter aux besoins industriels. Mais le marché de ce genre de matières, n’est, lui, encore que très peu développé. Il s’agit donc de donner de nouvelles impulsions au marché des matériaux composites en créant d’autres produits grâce à des innovations sur le plan du développement des matériaux.
Conclusions
Production de fibres
Pour la production de fibres libériennes, la date de la récolte influence considérablement la composition chimique de la filasse. Cette dernière influence de son côté l’aptitude de la filasse au décorticage et au dégommage. La date de récolte pour la fabrication de fibres de chanvre séparées mécaniquement est habituellement fixée à la maturité technique (lors de la floraison mâle) en raison du rendement élevé et des bonnes conditions de décorticage. Les fibres séparées mécaniquement sont utilisées pour la fabrication de matériaux isolants, de textiles grossiers et de matériaux de remplissage.
La teneur élevée en lignine lorsque la récolte est effectuée à maturité technique rend le dégommage de la filasse plus difficile pour la production de fibres élémentaires, utilisées de préférence pour le renforcement des polymères biodégradables ou pour la production des textiles fins. Le taux de lignine inférieur de 5,4% lorsque la récolte est effectuée plus tôt, lors de la formation des boutons, se traduit néanmoins par un rendement en fibres inférieur de 12% et par une aptitude au décorticage, elle aussi inférieure de 25%. La plus faible teneur en lignine justifie-t-elle les inconvénients de la récolte précoce ? C’est ce que doivent démontrer des essais de dégommage effectués sur de la filasse présentant différentes teneurs en lignine.
Compounding
Avec des extrudeuses traditionnelles à deux vis, il est possible de compounder des fibres de chanvre dégommées avec des polymères thermoplastiques, biodégradables jusqu’à ce que les fibres représentent 50% du volume total. Les fibres de chanvre dégommées ne peuvent pas être déversées, c’est pourquoi il n’est pas possible de les doser avec les dispositifs habituels. Lorsqu’elles se présentent sous la forme de non-tissés ou de fils tissés, elles peuvent être entraînées automatiquement par la rotation des vis via l’ouverture de dosage des fibres. Pour l’application industrielle du procédé, il serait intéressant de développer une unité de dosage pour les fibres qui ne peuvent pas être déversées, car cela éviterait la production onéreuse de non-tissés ou de fils. Pour ménager les fibres lors du compounding, la vis doit être la plus courte possible et le système doit pouvoir se passer de malaxeur.
Propriétés mécaniques
Les matériaux composites à base de copolyesteramide et de fibres de chanvre atteignent un module E qui permet l’utilisation des matériaux biodégradables pour la fabrication d’éléments rigides de grandes superficies. La résistance à la traction et aux chocs permet des applications constructives. Pour les éléments structuraux à parois fines, il est toutefois recommander de se montrer prudent. Il serait possible d’augmenter la résistance des matériaux si les fibres présentes dans la pièce étaient plus longues que les 0,53 mm actuellement mesurés. Pour arriver à un tel résultat, il faudrait modifier complètement le processus de compounding. On peut envisager la pultrusion des fils de liber faiblement torsadés ou le compounding direct dans une machine de moulage par injection.
Biodégradabilité
Le compounding avec des fibres libériennes influence non seulement les propriétés mécaniques des matériaux, mais également le procédé de décomposition des polymères biodégradables. C’est une caractéristique très importante pour le développement de produits comme les pots germinatifs et les pots de culture dans le domaine de l’horticulture, qui requièrent un processus de décomposition bien défini.