Généralité sur les fibres lignocellulosiques

Le monde végétal est une source inépuisable de matériaux naturels, qUI peuvent concurrencer les matériaux d’origine fossile. La fibre lignocellulosique est parmi les matériaux naturels les plus étudiés en raison de ses caractéristiques remarquables sur les plans environnemental et économique. Cependant, son utilisation comme alternative aux composés pétroliers nécessite une connaissance approfondie de sa structure, de ses propriétés et de ses interactions avec d’ autres matériaux de nature différente.

Origine, structure et composition chimique des fibres végétales 

Origine

Les fibres cellulosiques, utilisées pour renforcer les composites à matrice polymérique, peuvent être classées suivant leurs origines botaniques et leurs localisations dans la plante [8]. On distingue :

➤ Les fibres de bois ; elles peuvent être issues des résineux (pin, épinette noire, cèdre … ) ou des feuillus (chêne, peuplier, bouleau … ). Ces deux sources de bois permetterlt d’obtenir des fibres avec des caractéristiques différentes ayant des conséquences sur les propriétés du produit final (papier, composite … ).

➤ Les plantes annuelles ; elles présentent des structures très variées qui pennettent selon le type de plante, d’extraire les fibres cellulosiques à partir de la tige (lin, chanvre, jute … ), de la feuille (agave, banane, ananas … ), des graines ou des fruits (coton, coco … ) par des procédés mécaniques, thermiques, chimiques, enzymatiques, ou des combinaisons de ceux-ci [2, 8]. La diversité et la qualité des fibres issues de ces plantes font d’ elles une alternative écologique des fibres du bois pour certaines application.

Structure et composition chimique 

D’un point de vue structurel, les fibres lignocellulosiques sont composées d’une matrice, constituée principalement d’ hémicelluloses et de lignine, renforcée par des fibrilles de cellulose.

➤ Cellulose
La cellulose est pondéralement et structurellement l’élément constitutif majeur des fibres végétales. La détermination de sa formule exacte date de 1913. Après de nombreuses études portant sur la structure du glucose et du cellobiose [21 , 22] et la dégradation chimique partielle de la cellulose et ses dérivés [23], il a été prouvé que la cellulose a une structure polymérique constituée d’enchaînement de monomères cellobioses liés par des liaisons β  (1 ,4) [24]. Cet homopolymère est caractérisé par un grand poids Inoléculaire avec un degré de polymérisation qui peut dépasser 36000 dans le cas de la cellulose extraite du lin. A titre indicatif, un degré de polymérisation (OP) de 14000 est équivalent à une longueur d’environ 7 um [9, 25].

Les chaines de cellulose sont liées par des ponts hydrogènes intra- et intermoléculaires   et des liaisons de type Van der Waals. L’association de nombreuses macromolécules de cellulose permet la formation de fibrilles élémentaires ; une fibrille élémentaire est constituée en moyenne de 36 chaînes; ces fibrilles élémentaires s’ assemblent en microfibrilles et favorisent l’ établissement d’ une structure microcristalline [8, 9]. Cette structure fibrillaire condensée est à l’ origine des caractéristiques remarquables de la cellulose.

➤ Hémicelluloses
Les hémicelluloses sont des polysaccharides complexes de faible poids moléculaire (degré de polymérisation moyen de 150), très hydrophiles et solubles en milieu alcalin. Leur squelette est composé de résidus β -(l ,4 )-D-pyranose, où l’O-4 est en position équatoriale . Les pyranoses peuvent être des glucoses, mannoses ou xyloses. Ces unités répétitives présentent de multiples possibilités d’associations et de branchements.

➤ Lignine
La lignine est une macromolécule fortement hétérogène, biosynthétisée à partir de trois alcools phénoliques (syringyle, guaïacyle et p-hydroxyphényle). Ces unités peuvent s’assembler de multiples façons par des liaisons oxygène-carbone ou carbone-carbone formant ainsi une structure tridimensionnelle très ramifiée  [28, 29]. La lignine est de nature thermoplastique (température de ramollissement ~ 90 °C et écoulement à ~ 170 °C) et présente une faible affinité avec l’eau.

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La composition chimique et la morphologie microstructurale des fibres lignocellulosiques sont extrêmement complexes à cause de l’ organisation hiérarchique des différents constituants présents à différents pourcentages. La composition chimique dépend de la nature de la fibre, des conditions de croissance, des conditions climatiques, de l’âge de la fibre …

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
PARTIE 1. SYNTHÈSE BffiLJOGRAPHJQUE
CHAPITRE 1. ÉTAT DE L’ART SUR LES FIBRES VÉGÉTALES
1. Généralité sur les fibres lignocellulosiques
1.1. Origine, structure et composition chimique des fibres végétales
1.1 .1. Origine
1.1 .2. Structure et composition chimique
1.2. Caractéristiques et propriétés des fibres cellulosiques
II. Etat de l’art sur les fibres de l’étude
TI.l. Fibre de lin
II.1.1. Culture et extraction des fibres du lin
11.1 .2. Caractéristiques de la fibre de lin
II .2. Pâtes à papier
II.2.1 . Essences de bois
II.2.2. Propriétés des fibres du bois
II.2.3. Fabrication de la pâte à papier.
II.2A. Caractéristiques des fibres de pâte à papier
11.2.5. Propriétés du réseau fibreux
III. Modification chimique des fibres lignocellulosiques : acylation
111.1. Généralités
JILI.l . Réactivité et accessibilité de la cellulose
111.1 .2. Réactions interfibrillaires
111.1.3 . Modifications chimiques les plus courantes des substrats cellulosiques
III.2. Réactions d’acylation des substrats cellulosiques
lIL2.1 . Généralités
III.2.2. Acétylation des substrats cellulosiques
lIL2.3 . Acylation des fibres cellulosiques par les dérivés des acides gras
III.2A. Acylation par d’autres dérivés d’ acides
.lI1.3. Enjeux et défis des réactions d’acylation des substrats cellulosiques
IlIA. Propriétés et applications des esters de cellulose
CHAPITRE II. ÉTAT DE L’ART SUR LES MATÉRIAUX COMPOSITES RENFORCÉS PAR DES FIDRES VÉGÉTALES
1. Structure et mise en œuvre des composites
LI. Structure des composites
1.1.1. Renforts fibreux
1.1.2 Matrices
1.1.3. Cohésion des corn posites et adhésion interfaciale
1.2. Processus de sélection des matériaux de base des composites
1.3. Technologie et procédés de fabrication des composites à base de fibres naturelles
1.3.1. Technologie et procédés de mise en œuvre des composites à fibres courtes
1.3.2. Choix du procédé de mise en œuvre
II. Propriétés des matériaux composites renforcés par des fibres végétales: Effet du traitement chim ique des fibres
Il.J . Propriétés mécaniques des composites
II.I.I. Rupture des composites sous une charge en traction
ILl.2. Effet des traitements chimiques des fibres sur la résistance mécanique des composites
Il.2. Propriétés thermiques
Conclusion
BIBLIOGRAPIllE
PARTIE ll. MATÉRIELS ET MÉTHODES
MÉTHODOLOGIE DE L’ÉTUDE
1. Matériaux
LI. Fibres végétales
L2. Produits chimiques
1.3. Matrices polylnériques
II. Synthèse et caractérisation des fibres lignocellulosiques modifiées
II.l. Modification chimique des fibres
11.1 .1. Acétylation en masse
ILl .2. Greffage de chaines grasses
II.2. Techniques et méthodes de caractérisation physico-chimique et structurale des fibres lignocellulosiques acylées
11.2.1. Rendement des réactions d’acylation
n .2.2. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier.
II.2.3. Résonance magnétique nucléaire du carbone 13 couplée CP/MAS
n.2.4. Diffraction des rayons X
Il.2.5. Analyse thermogravimétrique
11.2.6. Analyse Inorphologique
Il.2.7. Mouillabilité des fibres
III. Elaboration et caractérisation des renforts à base de fibres acylées
111.1 . Fabrication des renforts
IILI.l. Renforts des fibres de lin et renforts hybrides lin/Kraft
111.1.2. Renforts papier à base de fibres de bois
IIL2. Caractérisation des réseaux fibreux
111.2.1. Grammage et épaisseur
111.2.2. Morphologie
111.2.3. Porosité et rugosité
IIL2.4. Résistance à la traction
111.2.5. Pennéabilité
IIL2.6. Energie de surface
IV. Mise en œuvre et caractérisation des matériaux composites renforcés par des fibres végétales
IV.I . Fabrication des composites
N .1.1. Composites fibres végétales-époxy
N .I.2. Composites fibres végétales/ PEBD
N .2. Caractérisation des composites
N .2. 1. Résistance à la traction
V1.2.2. Morphologie des composites
VI.2.3 . Stabilité thennique
BIBLIOGRAPHIE
PARTIE lll. CONCLUSION 

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