Emmagasinement d’énergie d’un matériau kapok-plâtre en régime dynamique fréquentiel

PRESENTATION DE QUELQUES ISOLANTS THERMIQUES ET DES LIANTS 

 Les isolants thermiques

 Les matériaux peuvent être classés selon leurs aptitudes à transmettre la chaleur. Les isolants thermiques sont des matériaux qui possèdent un coefficient de conductivité faible (W/mK) d’où leur opposition au flux de chaleur les traversant. Il existe une grande variété d’isolants thermiques selon leurs origines : minéral, synthétique, naturel etc.

 Les isolants thermiques minéraux 

La laine de roche

 Les fibres de la laine de roche sont obtenues par la fonte [5] de la roche diabase. Elles sont liées à l’aide de résines synthétiques polymérisées pour former des rouleaux et des panneaux qui peuvent présenter différentes rigidités et finition de surface.Figure I- 1: Laine de roche La laine de roche est totalement perméable à la vapeur d’eau mais elle n’est pas hygroscopique. Son absence de capillaire fait qu’elle n’absorbe pas l’eau. Elle dispose d’une bonne stabilité thermique et un bon comportement thermique. 

La laine de verre

 Les fibres de la laine de verre sont obtenues par la fonte de verre et de sable quartzeux. Elles sont traitées par un produit hydrofuge. Elles sont liées à l’aide d’un produit thermo durcissant pour former des rouleaux et des panneaux. Figure I- 2: Laine de verre Tout comme la laine de roche, la laine de verre est totalement perméable à la vapeur d’eau, et est non hygroscopique. Elle est non capillaire (n’absorbe pas l’eau). Elle est totalement perméable à l’air. Elle se caractérise par une bonne stabilité thermique, un comportement au feu légèrement moins bon que la laine de roche.  La laine de verre n’est plus utilisée pour les toitures plates à cause de sa faible résistance au délaminage et à la compression

 Le verre cellulaire 

Le verre cellulaire est une mousse de verre obtenue par expansion de celui-ci lorsqu’il est en fusion. Les cellules ainsi formées contiennent un gaz inerte. Figure I- 3: Verre cellulaire Sa procédure de fabrication conduit à la production d’un isolant léger à cellules fermées. Le verre cellulaire est complètement étanche à la vapeur d’eau, à l’eau et à l’air. Il se caractérise par une bonne stabilité thermique et un bon comportement au feu. Bien qu’incompressible, ce matériau est relativement fragile et nécessite un support régulier et rigide lorsqu’il est soumis à des contraintes mécaniques. Disponible en panneaux ou en gros granulés, son seul défaut en plus de son coût élevé, est d’être produit par des procédés de fabrication très énergivore. 

L’argile expansée

 Elle est vendue en vrac, en panneaux ou incorporée dans des bétons allégés, des blocs de construction préfabriqués. L’argile expansée présente un excellent classement au feu et offre une bonne résistance à l’humidité. Figure I- 4: Granules d’argile expansée et Granules d’argile expansée grossie et coupée

 Les isolants synthétiques

 Le polystyrène expansé 

Ces isolants [5] sont produits par l’industrie du pétrole et le plus souvent à partir d’un ou plusieurs dérivés du processus de raffinage. Issu du naphta, le polystyrène expansé est obtenu par polymérisation des billes de styrène qui en sont issues avec de l’eau et du gaz pentane. Vu son déplorable bilan environnemental, l’utilisation du polystyrène n’est pas compatible avec une approche écologique de la construction. Il se conditionne sous forme de billes pour l’insufflation, dans le béton et enduits légers ou éléments de maçonnerie allégés. Le domaine d’emploi le plus fréquent est l’utilisation des panneaux avec une plaque de plâtre comme doublage intérieur ou comme poutrelles/hourdis. Il existe aussi un PSE graphité de couleur grise et de λ = 0,032 W/m.K utilisé pour l’isolation extérieur, sa mise en œuvre doit être faite de sorte à le protéger des ultraviolets. Figure I-5 : Mousse de polystyrène expansée

 Le polystyrène extrudé

Ce polystyrène à l’instar du polystyrène expansé est obtenu après polymérisation du styrène par extrusion sous pression d’une pâte de fusion grâce à un gaz lourd. Comme son homologue, il possède les mêmes conséquences néfastes sur l’environnement. Cependant, sa bonne résistance mécanique justifie son utilisation dans l’isolation enterrée, sous forte charge, sous dalle ou en toiture terrasse. Figure I-6 : Polystyrène extrudé. Sa conductivité peut varier de 0,029 à 0,035 W/mK ; et sa densité de 25 à 45 kg/m3 ; sa chaleur spécifique de 1300 à 1500 J/kg.K. 

Les polyuréthanes

Les mousses de polyuréthanes sont obtenues par catalyse et expansion à partir d’un mélange d’isocyanate, de polyol, et d’un gaz expanseur (CO2) avec ajout de stabilisant et d’ignifugeants. On obtient des mousses dures à cellules fermées, peu compressibles et ayant un très bon pouvoir isolant. Il est souvent employé pour la réalisation des coques isolantes, des ballons d’eau chaude sanitaire. On trouve également des bombes aérosols pour réaliser des calfeutrements et des flocages par machines. Sa conductivité peut varier de 0,024 à 0,03 W/mK ; et sa densité de 25 à 30 kg/m3 ; sa chaleur spécifique est de 1300 à 1500 J/kg.K. La grande majorité des isolants thermiques synthétiques précités possèdent des propriétés isolantes satisfaisantes mais contribuent tout de même à l’augmentation des gaz à effet de serre et pose souvent un problème d’accessibilité. Il convient donc d’élaborer des isolants thermiques respectant les normes environnementales tout en ayant des propriétés thermiques satisfaisantes d’où l’intérêt porté sur les isolants naturels et locaux. 

 Les isolants thermiques naturels

 Ceux sont des isolants issus le plus souvent des fibres végétales. Elles se distinguent en fonction de la partie où elles ont été prélevées au sein de la plante [6]. Il existe des fibres provenant des graines comme le coton ou le kapok ; celles issues de la tige telles que le lin ou la ramie ; des feuilles comme les fibres de sisal ou abaca ; des fruits de la noix de coco ; etc. 

La fibre de chanvre 

Elle est issue de la partie extérieure de la tige [7]. Par un procédé de défibrage mécanique la fibre est séparée de la chènevotte. Comme sa culture s’effectue sans pesticides ni aucun phytosanitaires, la fibre représente un matériau écologique sain. Autrefois utilisée pour les cordages de la marine à voile, elle s’utilise dorénavant en grande partie pour l’isolation des maisons. Figure I-7 : Fibre de chanvre Elle est utilisée pour l’isolation de combles, de toitures, de planchers, de murs porteurs ou de séparations. Elle possède en plus de bonnes propriétés isolantes acoustiques et mécaniques. 

Arbres à kapok 

Le fromager, (kapokier, ceiba pentandra) [8] ou communément appelé au Sénégal sous le nom Benten est un arbre répandu à travers une grande partie de l’Afrique tropicale. C’est une espèce qui existe aussi de part et d’autre de l’équateur et partout elle s’est adaptée au rythme saisonnier. L’espèce est de croissance rapide et d’après tous les agronomes qui l’ont étudiée, elle commence à produire des capsules à l’âge de quatre ans. Un kapokier de 6 ans est en plein rapport peut produire de 300 à 400 capsules et cette production peut se maintenir jusqu’à l’âge 15 -16 ans avant de diminuer. A l’intérieur des capsules se trouve la fibre de kapok qui est un tissu soyeux entourant les graines. Sur les figures ci-dessous, nous avons l’arbre ainsi que les fibres de kapok : Figure I- 5: Fruit du kapokier 

 Quelques caractéristiques du kapok 

Le kapok possède certaines propriétés [9] qui intéressent les chercheurs de même que les ingénieurs. Le kapok se distingue du coton du fait que sa fibre soit très courte (de 10 à 23 mm), cylindrique et non vrillé. La légèreté notoire du kapok offre les caractéristiques ci-après : – Flottabilité : les vêtements et matériels de survie étaient fabriqués à partir du kapok avant l’arrivée du polystyrène et les mousses expansées. – Pouvoir isolant : grâce à sa forme, le kapok est le meilleur isolant parmi les fibres naturelles qui peuvent rivaliser avec les fibres chimiques telles que le polyester en matière de confort thermique. – Douceur : éventuellement due à la présence de la cuticule cireuse ; – Absorption : en matière d’absorption, le kapok peut concurrencer le polypropylène et le coton hydrophile, il est également souple et oléophile. L’inconvénient majeur du kapok est son inflammabilité. Ce problème peut être résolu en le mélangeant à un liant tel que le plâtre qui possède de bonnes propriétés par rapport au feu. 

Présentation des liants

 Les matériaux isolants thermiques sont la plupart des cas un mélange de fibres avec un liant qui constitue la matrice. Ce liant est choisi pour répondre à plusieurs normes imposées soit par l’utilisation soit par l’environnement. Ainsi les liants peuvent être classés [10] selon leur composition en deux grandes familles :  Les liants minéraux : selon leur mode de durcissement ils peuvent être classés en deux famille ; les liants aériens dont le durcissement à l’air est dû à une réaction de carbonatation ; par exemple la chaux aérienne le plâtre, l’argile et les liants hydrauliques dont le durcissement en milieu humide ou dans l’eau est dû à une réaction d’hydratation de silicates ou d’aluminates tels que la chaux hydraulique, le ciment prompt, ciment portland, laitiers.  Les liants organiques : ils renferment les liants hydrocarbonés (bitumes, goudrons) et les résines et surtout les polymères. 

 Le plâtre

Une vie de plâtre 

Le plâtre [11] est un matériau employé par les hommes depuis très longtemps : les premières traces d’utilisation au Proche-Orient remontent au huitième millénaire avant Jésus-Christ. Il a été utilisé en Egypte pour confectionner les joints d’assemblage des blocs de la pyramide de Chéops (2800 avant Jésus Christ) [12]. C’est un matériau sur lequel se sont penchés quelques grands chimistes tels que Lavoisier (en 1768), Van’t Hoff, Le Chatelier.

 Elaboration du plâtre à partir du Gypse 

Le sulfate de calcium se présente dans la nature sous la forme de gypse : CaSO4, 2H2O ou d’anhydrite : CaSO4.

Propriété thermique du plâtre 

Le plâtre possède de très nombreux atouts pour la protection contre les incendies : – il est incombustible : il est classé M 0 ; – il est mauvais conducteur de la chaleur, donc bon isolant thermique. Cette propriété est liée à la structure poreuse du plâtre (qui résulte du départ d’eau lors du séchage), structure qui subsiste après déshydratation. L’isolation thermique est caractérisée par le coefficient de conductivité thermique λ qui s’exprime en W/K.m. Plus le coefficient est faible, meilleure est l’isolation.