Usinabilité des agrocomposites

Introduction Un matériau composite est un arrangement de fibres (qui constituent le renfort) noyées dans une matrice (qui constitue la résine liante). Les fibres présentent l’armature reprenant l’essentiel des efforts mécaniques et possèdent généralement une bonne résistance en traction et une faible résistance en compression. La matrice assure la cohésion et l’orientation des fibres, garantit le transfert des chargements, protège le renfort contre les diverses conditions environnementales et permet de donner la forme voulue à la pièce réalisée. La rigidité d’un matériau composite est alors assurée principalement par le renfort fibreux qui est originaire de sources minérales, organiques, animales ou végétales. Les deux types de matrices les plus utilisées sont les résines thermodurcissables et thermoplastiques. Les matrices thermodurcissables sont des polymères qui, une fois catalysées et accélérées, se transforment en matrices infusibles et insolubles rendant toute recyclabilité difficile, contrairement aux matrices thermoplastiques qui peuvent être alternativement ramollies par chauffage et durcies par refroidissement. Les matrices thermodurcissables possèdent, en revanche, des propriétés mécaniques supérieures à celles des matrices thermoplastiques, notamment celles de la famille des époxys. Le potentiel des fibres végétales comme agent de renforcement a été reconnu au milieu du vingtième siècle quand Henry Ford a construit la première voiture avec une carrosserie entièrement en plastique fixée à une armature tubulaire soudée en acier. Le plastique utilisé a été renforcé avec 70% en masse de fibres végétales (blé, chanvre et sisal) [1]. Dans la même époque, Aero Research Ltd a développé Gordon Aerolite, un stratifié de fibres de lin et résine phénolique utilisé pour la fabrication des éléments de structures du fuselage des avions militaires britanniques durant la seconde guerre mondiale [2]. L’utilisation des fibres végétales comme renfort pour les composites polymères a suscité, au cours des dernières années, l’intérêt des chercheurs et des industriels d’un point de vue économique et écologique. Cette utilisation se justifie pour la valorisation d’une ressource locale, le développement des matériaux et des technologies prenant en compte les impacts sur l’environnement ainsi que la diminution des coûts de production tout en gardant des bonnes performances par rapport aux fibres synthétiques de verre et de carbone [3,4]. Un composite renforcé par des fibres végétales est nommé agrocomposite. Chapitre 1 : Etat de l’art 5 Les fibres végétales sont initialement biodégradables et sont souvent considérés comme neutres vis-à-vis des émissions de CO2 dans l’atmosphère puisque leur combustion ou leur biodégradation ne produit qu’une quantité de dioxyde de carbone égale à celle que la plante a absorbée pendant sa croissance. Les agrocomposites sont donc plus faciles à recycler. En plus, si leur matrice est biodégradable, ils sont aussi compostables après broyage quand la matière sera trop dégradée [3]. Les fibres végétales sont actuellement utilisées comme renfort aux polymères pour la fabrication de plusieurs pièces en industrie. La Figure 1.1 illustre quelques exemples de réalisations. 

Structure et propriétés des fibres végétales

Les fibres végétales produites dans le monde proviennent de cinq origines de la plante comme le montre la Figure 1.2. Figure 1.2 : Origine des fibres végétales dans la plante [3]. Il est tout de même important de noter que seules certaines variétés présentent des propriétés mécaniques remarquables justifiant leur usage comme renfort de matériaux composites. Ces dernières ont un rôle structurel dans la plante. Les fibres libériennes issues de la tige de la plante (lin, chanvre, jute, kenaf, ramie …) présentent alors les performances les plus intéressantes compte tenu de leur fonction au sein de la plante comme des tissus de soutien de la tige [3]. 2.1 De la plante à la fibre : influence des procédés d’extraction Il est indispensable d’extraire les fibres végétales de la plante afin de les exploiter comme renfort pour les matériaux composites. Les fibres libériennes (lin, chanvre, jute, kenaf, ramie …) sont stockées en paquet vers la partie extérieure de la tige de la plante (Figure 1.3). Cette tige est composée, de l’extérieur vers l’intérieur, de : – L’épiderme : c’est le tissu végétal superficiel formant une couche protectrice continue à la surface des parties aériennes d’une plante. – L’écorce : constitue le revêtement extérieur de la tige. – Le liber : dans lequel se trouvent les faisceaux de fibres. – Le xylème : moelle interne formée par des cellules riches en lignine. Chapitre 1 : Etat de l’art 8 Figure 1.3 : De la plante à la fibre, positionnement des fibres à l’intérieur de la tige de plante dans le cas des fibres libériennes. Les fibres sont régulièrement distribuées sur la périphérie et leur assemblage en paquets améliore leur tenue en compression en limitant le risque de microflambage. En effet, quand une tige fléchit, une partie de la section travaille en traction et une autre en compression. Dans la tige, les fibres adhèrent fortement entre elles et avec le reste de la plante (les liaisons sont principalement assurées par des pectines dans le cas du lin). Pour les extraire, il est nécessaire d’endommager les lamelles mitoyennes assurant les liaisons : c’est l’étape du rouissage qui est complétée par différents traitements qui s’inscrivent dans le processus d’extraction. Dans un matériau composite, il est logique de séparer les fibres pour augmenter les surfaces de collage entre les fibres et la matrice et obtenir une répartition du renfort la plus uniforme possible.