Publié le : 17 novembre 202013 mins de lecture
Introduction
Récemment, des fibres polymères naturelles et artificielles sont utilisées pour la préparation de textiles fonctionnalisés afin d’obtenir des propriétés intelligentes et intelligentes. Il existe de nombreuses possibilités d’application de ces matériaux modifiés. Les principales voies de fonctionnalisation des fibres sont: l’inclusion d’additifs fonctionnels (particules inorganiques, polymères, composés organiques); greffage chimique d’additifs à la surface des fibres et revêtement des fibres avec des couches de revêtements fonctionnels. Une nouvelle approche pour produire de nouveaux matériaux est la nanotechnologie, qui offre une grande variété de possibilités pour le développement de matériaux aux propriétés améliorées. Les composites de fibres de cellulose avec des nanoparticules combinent de nombreuses propriétés avantageuses de la cellulose avec la fonctionnalité de particules inorganiques, donnant ainsi de nouveaux matériaux intelligents. Pour préparer les matériaux composites cellulosiques, une connaissance approfondie des propriétés des fibres est nécessaire. En outre, de nouvelles qualités de fibres sont exigées pour garantir l’efficacité de la modification. Par conséquent, des méthodes non standard sont utilisées pour déterminer les propriétés physiques des fibres.
En outre, la fabrication, l’utilisation et l’élimination des matières textiles traditionnelles sont désormais considérées de manière plus critique en raison de la prise de conscience croissante de l’environnement et des demandes des autorités législatives. Les fibres de cellulose naturelles ont prouvé avec succès leurs qualités en tenant également compte d’une vision écologique des matériaux fibreux. Différentes fibres de cellulose peuvent être utilisées pour des applications textiles et techniques, par exemple des fibres libériennes ou des fibres de tige, qui forment des faisceaux fibreux dans l’écorce interne (phloème ou liber) des tiges de plantes dicotylédènes, des fibres de feuilles qui traversent dans le sens de la longueur les feuilles des plantes monocotylédéniques et des fibres de graines et de fruits. Le lin, le chanvre, le jute, la ramie, le sisal et la fibre de coco sont principalement utilisés à des fins techniques. Récemment, l’intérêt pour les ressources renouvelables pour les fibres notamment d’origine végétale augmente.
Un examen des différentes fibres conventionnelles et non conventionnelles est présenté. Pour l’extraction des fibres, différentes procédures d’isolement sont possibles, par exemple en utilisant des bactéries et des champignons, des méthodes chimiques et mécaniques. La procédure utilisée influence la morphologie de la surface des fibres. Par les procédures d’isolation des fibres, on obtient principalement des fibres techniques, ce qui signifie que les fibres de cellulose sont des structures multicellulaires avec des cellules individuelles liées en faisceaux de fibres.
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Fibres végétales
De nombreuses fibres utiles ont été obtenues à partir de diverses parties de plantes, notamment des feuilles, des tiges (fibres libériennes), des fruits et des graines. Les dimensions géométriques de ces fibres, en particulier la longueur des fibres, dépendent principalement de l’emplacement des fibres à l’intérieur de l’usine. Les fibres des fruits et des graines mesurent quelques centimètres de long, tandis que les fibres des tiges et des feuilles sont beaucoup plus longues (plus d’un mètre) [Blackburn 2005].
À l’exception des fibres de graines et de fruits, les fibres végétales sont des cellules allongées de sclérenchyme qui se trouvent dans différentes parties des plantes, principalement dans les tiges et les feuilles. Ce sont des cellules allongées avec des extrémités effilées et des parois cellulaires très épaisses, généralement fortement lignifiées. Le sclérenchyme donne une résistance mécanique et une rigidité à la plante, car il s’agit généralement d’un tissu de soutien chez les plantes. Les fibres sont également associées au xylème et au phloème des tiges et des feuilles des plantes monocotylédones et dicotylédones.
Toutes les cellules végétales ont une paroi primaire. Pendant la croissance cellulaire et après son arrêt, le cytoplasme des cellules de sclérenchyme sèche tandis que la paroi cellulaire s’épaissit par addition d’une paroi cellulaire secondaire épaisse et rigide qui est formée vers l’intérieur de la paroi cellulaire primaire et constituée de fibrilles de cellulose. La paroi cellulaire secondaire est formée par dépôt successif de couches de cellulose, qui sont divisées en trois sous-couches (S1, S2 et S3), dont la couche médiane est la plus importante pour les propriétés mécaniques des fibres. Il se compose de microfibrilles disposées en hélice. Le diamètre des microfibrilles est compris entre 10 et 30 nm [John 2008]. Un paramètre important de la structure de la paroi secondaire est l’angle que font les microfibrilles de cellulose avec la direction principale des fibres. En fait, chacune des trois sous-couches de fibres a une orientation microfibrillaire différente [Krässig 1992, John 2008, Cuissinat 2008] qui est spécifique au type de fibre. En raison de la formation d’une paroi secondaire épaisse, la lumière devient plus petite.
La paroi cellulaire d’une fibre n’est pas une couche homogène. Les parois des cellules végétales (la paroi cellulaire primaire et secondaire) peuvent être considérées comme un composite constitué de fibrilles de cellulose noyées dans une matrice de lignine et de polysaccharides hémicellulosiques [Krässig 1992].
Les fibres végétales sont généralement composées de trois polymères structuraux (les polysaccharides cellulose, et les hémicelluloses et le polymère aromatique lignine) ainsi que par quelques composants non structurels mineurs (à savoir protéines, extraits, minéraux) [Marques 2010]. La cellulose forme une structure cristalline avec des régions d’ordre élevé, c’est-à-dire des régions cristallines et des régions d’ordre inférieur, c’est-à-dire des régions amorphes. Les lamelles moyennes composées de polysaccharides pectiques relient les cellules individuelles en faisceaux [Caffall 2009].
Le rouissage, qui consiste à séparer les fibres des tissus non fibreux des plantes, implique des traitements bactériens et fongiques et des processus mécaniques et chimiques d’extraction des fibres. Malgré la bonne qualité des fibres, le rouissage à la rosée est généralement remplacé par d’autres méthodes plus économiques car le processus prend beaucoup de temps et dépend des conditions météorologiques. Au lieu de méthodes chimiques de rouissage atmosphérique et de rouissage enzymatique avec des pectinases, des hémicellulases et des cellulases sont utilisées, mais les propriétés des fibres dépendent de manière significative des conditions d’extraction.
2.1. Morphologie des fibres lignocellulosiques
Les cellules de sclérenchyme possèdent une forme semblable à des fibres et sont disposées longitudinalement. Les cellules sont longues et rétrécies aux extrémités des cellules et entourées et protégées par une paroi cellulaire qui est une structure macromoléculaire complexe. Au cours de la croissance des cellules, la paroi est épaissie et renforcée par l’ajout d’une paroi secondaire. Habituellement, les cellules fibreuses sont présentes dans des brins ou des faisceaux appelés fibres techniques [Caffall 2009]. Les cellules sont polygonales en section transversale et reliées entre elles par des lamelles moyennes de sclérenchyme. La lumière ou la cavité à l’intérieur des cellules matures à fibres mortes est généralement très petite lorsqu’elle est vue en coupe transversale [Lewin 1998, Cook, 1993].
2.2. Structure de fibre
La teneur en cellulose, hémicellulose et lignine des fibres végétales varie en fonction de l’espèce végétale, de l’origine, de la qualité et du conditionnement [Blackburn 2005].
La cellulose chimiquement non modifiée est généralement reconnue comme se présentant sous quatre formes polymorphes. Il existe des preuves de l’existence d’autres [Krässig1992, Lewin 1998]. Le modèle spatial monoclinique de la cellule unitaire de la cellulose native est la modification cristalline de la cellulose I. La cellule élémentaire abrite les segments de cellobiose de deux molécules de cellulose, l’une faisant partie du plan d’angle 002 et la seconde faisant partie du plan central 002 [Lewin 1998, Hu 1996]. La cellule unitaire monoclinique a des dimensions de 0,835 nm pour l’axe a, 1,03 nm pour l’axe b ou période de fibre, 0,79 nm pour l’axe c et 84 0pour l’angle ß selon Meyer, Mark et Misch [Krässig 1992]. Pour la cellulose naturelle, on observe un diagramme de diffraction des rayons X typique, c’est-à-dire trois pics de diffraction équatoriaux aux angles d’environ 14 °, 16 ° et le pic de diffraction le plus fort à un angle de 22 ° [Yueping 2010].
Cependant, le dimorphisme cristallin de la cellulose et l’existence de deux familles de cellulose native ont été confirmés récemment. Les phases cristallines I α et I β peuvent apparaître dans des proportions variables selon la source de la cellulose. La phase I β est une cellule unitaire monoclinique de groupe d’espace P2 1 et de dimensions a = 0,801 nm, b = 0,817 nm, c = 1,036 nm, ß = 97,3º et très proche de la cellule proposée par Meyer, Mark et Misch. La phase I α correspond à une maille élémentaire triclinique de groupe d’espace P 1 et de dimensions a = 0,674 nm, b = 0,593 nm c= 1,036 nm, α = 117 °, γ = 113 ° et ß = 97,3 ° [O’Sullivan 1997]. Les celluloses produites par les organismes primitifs (bactéries, algues, etc.) sont classées par la phase I α tandis que la cellulose des plantes supérieures (tissus ligneux, coton, ramie etc.) est principalement constituée de la phase I β . I α et I β se sont avérés avoir la même conformation du squelette de l’atome lourd, mais différer dans leurs modèles de liaisons hydrogène [O’Sullivan 1997].
La cellulose régénérée II est obtenue lorsque la cellulose native est traitée avec des solutions fortement alcalines ou précipitée à partir de solutions, comme lors de la production de fibres de cellulose synthétiques. La structure cristalline de la cellulose III est formée après traitement de la cellulose avec de l’ammoniac liquide et la structure du réseau de cellulose IV est obtenue en traitant des fibres de cellulose régénérées dans un bain chaud sous étirage.
Par ailleurs, les molécules de cellulose sont, au cours de la biosynthèse, disposées en unités morphologiques fibrilles élémentaires. Le modèle de structure fibrillaire est accepté pour les fibres de cellulose natives et artificielles, cependant, il existe quelques différences dans la disposition structurelle entre les différents types de ces fibres [Krässig 1992]. Les fibrilles élémentaires sont des chaînes de cristallites élémentaires qui sont associées de façon plus ou moins aléatoire en agrégations. Des segments isolés des fibrilles frangeant des agrégations forment un réseau fibrillaire. Par transition des molécules de cellulose de la cristallite à la cristallite, les connexions longitudinales et la cohérence des fibrilles sont obtenues par des liaisons hydrogène à des points de contact étroits ou par des molécules divergentes [Krässig 1992].
L’orientation microfibrillaire est différente pour différents types de fibres natives de cellulose. C’est un facteur d’influence très important pour les propriétés mécaniques des fibres. L’angle microfibrillaire MFA du bambou est de 2 0 -10 0 , du coco 41 0 -45 0 , du lin 10 0 , du jute 8 0 , de la ramie 7,5 0 , des fibres de sisal 20 0 [Blackburn 2005] et du coton 20-30 0 [Morton 1993]. Outre l’orientation microfibrillaire, la résistance et la rigidité des fibres dépendent de la constitution des fibres, de la teneur en cellulose, de la cristallinité et du degré de polymérisation. De plus, la maturité des fibres et une partie de la plante à partir de laquelle les fibres sont obtenues jouent un rôle important.
En raison de l’orientation axiale imparfaite des agrégats fibrillaires, des vides interfibrillaires et intrafibrilaires et des régions d’interconnexion moins ordonnées entre les cristallites à l’intérieur des fibrilles élémentaires, le système de pores des fibres de cellulose est formé.