Matériaux composites à base d’agro – un domaine d’expertise Mines

Patricia Krawczak est convaincue: pour certaines structures, les matériaux composites développés à partir de fibres végétales peuvent désormais rivaliser avec ceux développés avec la fibre de verre. Ce chercheur de Mines Douai, qui a animé la session «Les opportunités et limites des éco-matériaux» au colloque IMT Matériaux fin mars, travaille sur ce sujet depuis une dizaine d’années. Elle a été témoin de l’émergence et du développement de ces composites à base agro-alimentaire: « Au départ, il ne s’agissait que de plastiques renforcés de courtes longueurs de fibres naturelles (lin, chanvre ou cellulose et bois). Cela a produit des matériaux avec de mauvaises performances mécaniques,” elle explique. Ce n’est qu’au cours des dernières années que le domaine industriel s’est restructuré pour développer des solutions capables de fabriquer des pièces hautes performances avec une rigidité, une résistance et une durabilité comparables à la fibre de verre, qui prédomine actuellement. «Les composites à base d’agro ne sont plus utilisés uniquement comme composants de revêtement; ils peuvent également être utilisés pour développer des pièces semi-structurelles », explique Patricia Krawczak. C’est le cas dans les secteurs des transports (automobile, aéronautique, ferroviaire, construction navale, etc.) et dans le secteur du bâtiment.

Parmi les plantes testées pour ces nouveaux usages, le lin et le chanvre se distinguent des autres, notamment en France. Ils ont l’avantage d’être des ressources abondantes dans notre pays. Comme le rappelle Patricia Krawczak, « l’émergence des matières agro- alimentaires est ancrée dans une démarche de développement durable. «L’utilisation de fibres végétales peut potentiellement aboutir à des composites plus facilement recyclables. L’utilisation de cultures locales permet donc un approvisionnement et un transport avec une faible empreinte carbone, cohérente avec ce principe de limitation de l’impact sur l’environnement. En plus d’être abondantes, ces plantes offrent également des bienfaits d’ordre scientifique et technique. De nombreux travaux sont menés pour améliorer la compréhension et la maîtrise des matériaux composites résultants.

 

Maîtriser la performance des composites à base agro

À Mines Alès, l’équipe d’Anne Bergeret cherche donc à identifier les paramètres qui influencent les propriétés d’usure des composites à base de fibres végétales, comme les propriétés mécaniques, la stabilité thermique et la durabilité. La manière dont les fibres végétales sont dispersées dans la matrice polymère s’est avérée être un paramètre clé. Cela dépend des caractéristiques intrinsèques de la fibre, telles que sa composition chimique, sa chimie de surface, sa structure et les conditions d’application. Un autre paramètre décisif est la qualité de l’interface entre la fibre végétale et la matrice polymère. Des recherches menées à Mines Alès ont montré que certains traitements des fibres végétales, bien que couramment utilisés, comme le traitement à la soude caustique, ont un impact sur la structure de la fibre, et donc sur ses propriétés et son état de dispersion au sein de la matrice.la nécessité d’une compréhension complète des conditions de traitement de la fibre et de l’application des composites à base agro ».

 

Un point de vue partagé par Patricia Krawczak, dont les travaux de recherche aux Mines Douai ont également fait l’objet d’un compromis entre la foudre et la performance. « Si une pièce doit se conformer à une spécification fonctionnelle particulière ou à une demande spécifique, alléger le matériau au détriment de sa résistance et de sa rigidité n’est pas une solution. Par conséquent, nous pensons toujours en termes de propriétés spécifiques, c’est-à-dire de rapports performance / densité » , explique-t-elle. Cela explique en partie pourquoi les fibres végétales peuvent concurrencer la fibre de verre pour certaines utilisations, mais ne rivaliseront probablement pas avec la fibre de carbone, qui présente un rapport propriété mécanique / densité incontestablement supérieur.

 

Intégrer les spécificités des fibres naturelles dans les outils de simulation numérique

Malgré les caractéristiques de performance des fibres végétales, comme le lin, elles ne sont pas en mesure de remplacer les fibres plus conventionnelles dans toutes les spécifications de produits. Penser autrement reviendrait à ignorer les caractéristiques intrinsèques de ces fibres. Les plantes, de par leur nature, ont des caractéristiques variables, en raison de leurs conditions de croissance (saisonnalité, climat, lieu de production, etc.). Ils sont également poreux, ce qui rend leurs fibres sensibles à l’humidité. Ils ont également un faible niveau de tolérance aux températures élevées; il serait donc difficile de les associer à des matrices polymères avec des procédés de mise en forme qui nécessitent un chauffage à des températures très élevées. Mais les composites à base d’agro sont déjà très adaptés à une utilisation dans des conditions plus favorables, dans lesquelles leur sensibilité à l’humidité ne pose pas de problème, soit en les associant à des matrices polymères transformables à des températures plus basses. De plus, des recherches sont en cours pour remédier à ces aspects problématiques. L’objectif est de rendre les renforts en fibres naturelles hydrofuges, ou d’adapter les procédés de fabrication des plastiques pour permettre la production de pièces composites dans des conditions plus douces.

« Nous ne pourrons pas compenser la nature poreuse des fibres, et il sera difficile de surmonter leurs caractéristiques variables en raison de leur origine naturelle » , souligne Patricia Krawczak. « Cependant, nous pouvons nous assurer que ces spécificités sont prises en compte dans les modèles et les simulations, et ainsi nous assurer que les concepteurs, transformateurs et utilisateurs de pièces industrielles comprennent parfaitement le comportement des composites à base agro-alimentaire. «Le développement de la chaîne d’ingénierie virtuelle pour ces matériaux est en plein essor. Il en va de même pour la croissance du marché de ces composites à base agricole. «Les industriels de différents domaines d’application sont ouverts à leur utilisation, mais ne le feront que si les outils de simulation qu’ils utilisent dans leurs bureaux d’études sont compatibles,»Explique le chercheur. Son équipe travaille également sur ces aspects.

 

Transformer les faiblesses des fibres végétales en forces

Alors qu’à Mines Douai les scientifiques se concentrent sur la modélisation pour mieux comprendre les limites des fibres végétales, Anne Bergeret et son équipe de Mines Alès cherchent à transformer ces limites en avantages. Les plantes ont une faible stabilité thermique (décomposition commençant à 250 ° C), ce qui les rend relativement inflammables. Cependant, ils présentent la particularité de former un résidu carboné stable après décomposition. La combustion des composites à base de lin produit donc ce résidu en surface, qui a la propriété de protéger le matériau sous-jacent et de ralentir sa détérioration. L’équipe d’Anne Bergeret a donc cherché à favoriser cet aspect de résidu carbonisé en greffant des ignifugeants phosphorés à la surface des fibres. Les résultats ont montré une amélioration de la réaction au feu,

Qu’il s’agisse de comprendre les limites des composites à base agro-alimentaire ou d’en tirer parti, dans les deux cas, les chercheurs se consacrent à l’utilisation de la biomasse et à sa transformation en nouveaux matériaux utiles pour les secteurs industriels à la recherche d’innovations – en aéronautique, ainsi qu’en électronique et équipement médical. Avec eux, les filières se réorganisent, à travers des projets comme Fiabilin (PIA-PSPC) et Sinfoni (PIA-PSPC), auxquels Mines Douai a participé, et Enafilia (ADEME) et Hermès (H2020), avec l’implication de Mines Alès , impliquant des producteurs de lin et de chanvre aux côtés de scientifiques multidisciplinaires, de fabricants de plastiques et d’utilisateurs finaux. L’émergence de ces matériaux n’est pas seulement un espoir, c’est une nécessité car, comme le dit Anne Bergeret: «Dans toutes nos études, nous voyons la nécessité d’une approche intégrée et interdisciplinaire, combinant les compétences de spécialistes des matériaux comme nous avec celles d’agriculteurs, de biologistes et de chimistes, pour une compréhension globale et une utilisation optimale de la biomasse.