Un matériau biosourcé de choix : les fibres naturelles ... · Source : A. Boudenne, L. Ibos, E. Gehin, Y. Candau, A simultaneous characterization of thermal conductivity and diffusivity

1

Un matériau biosourcé de choix : les fibres naturelles

Caractérisations et applications

1

Nicolas DUJARDIN, Maître de Conférences [email protected]

CERTES :

Centre d’études et de recherches en thermique,

environnement, systèmes, EA 3481

www.certes-upec.fr

25èmes Journées Scientifiques de l’Environnement,

Hôtel du département, Créteil,18 février 2014

2

Plan détaillé de l’exposé

• 1) Optimisation des propriétés thermophysiques de matériaux composites

• 2) Contrôle de Structures par thermographie infrarouge

• 3) Parc instrumental

I. Activités de l’équipe Themacs

• 1) De quoi parle-t-on ?

• 2) Quelles ressources ?

• 3) Quels avantages ?

• 4) Quelles applications ?

• 5) Techniques de caractérisation

II. Présentation des fibres naturelles

• 1) Fibres exotiques / polymère (sisal, banane, PALF)

• 2) Fibres exotiques seules (palmier dattier)

• 3) Fibres de lin/epoxy

III. Exemples de résultats

2

3

3


1) Optimisation des propriétés thermophysiques des matériaux composites

2) Contrôle de structures par thermographie infrarouge

Renfort : fibre

Matrice : polymère

Composite polymère

Diagnostic d’isolation thermique Auscultation de chaussées et d’ouvrages d’art

matrice sphère

4

4

I. Activités de l’équipe Themacs 3) Parc instrumental

Métrologie, caractérisation de caméras, mesures de propriétés radiatives, CND, mesures de terrain

Banc CND Thermographie IR

Emissomètres

Mesures spectrales (UV, Visible, IR…)

5

5

I. Activités de l’équipe Themacs 3) Parc instrumental

Etude des composites conducteurs, composites renforcés par des fibres naturelles, composites incluant MCP

DSC DMA

Conductivité électrique Plaque chaude gardée

DICO : Diffusivité, Conductivité

6










• 5) Techniques de caractérisation


• 1) Fibres exotiques / polymère (sisal, banane, PALF)


• 3) Fibres de lin/epoxy


6

7

Fibres naturelles

Origine végétale

Origine animale

Origine minérale

graines

tiges

feuilles

fruits

laine

poils

sécrétions

coton, kapok

lin, ramie

sisal, abaca

noix de coco

mouton

alpaga

soie

amiante

7


8

8

Disponibilité dans presque tous les pays du monde !

Source : JEC Composites

Production annuelle

II. Les fibres végétales : quelles ressources ?

9

9


Le France représente 80% de

la production européenne

Le Normandie représente

55% de la production

française de lin

Source : Karim Belhouli, Fibres Naturelles, Troyes, septembre 2011

II. Les fibres végétales : quelles ressources ?

10

10

Fibre élémentaire

Source : Faruk et al., Progress in Polymer Science 37, 2012, 1552-1596


Exemple : Le lin

II. Les fibres naturelles : Composition ?

11

11

- Grande variété de fibres disponible dans tous les pays du monde

- Faible coût (9 fois moins que les fibres de verre)

- Issues des parties renouvelables des plantes

- Faible impact environnemental

- Faible densité

II. Les fibres végétales : quels avantages ?

12

12

La quantité d’énergie pour

produire un kilogramme de

fibres naturelles est très faible




- Faible coût (9 fois moins que les fibres de verre)



- Faible densité

13

13

Gain de masse et bonnes

propriétés spécifiques,

Le lin, alternatif aux fibres

de verre.

0

100

200

300

400

500

600

CARBO

N

ARAM

ID

E-G

LASS

FLAX

Modulus (GPa)

Specific modulus (GPa)

d= 1,53 d= 2,54 d= 1,45 d= 1,94

Source : Thèse, Z. Chérif

= d

Le module d’Young caractérise la rigidité

Intérêt pour le transport !



- Faible coût



- Faible densité : Légèreté !

14

14

- Forte variabilité de propriétés pour une même espèce, en fonction de plusieurs facteurs :

- Climat - Âge de la plante

- Taille - Position de prélèvement

- Composition - Date de prélèvement

Culture Récolte Extraction Transformation

finale

- Irrigation - Densité de semis - Apport d’azote - Date de récolte

Fibre élémentaire

II. Les fibres végétales : quels inconvénients ?

15

15

- Forte variabilité de propriétés pour une même espèce, en fonction de plusieurs facteurs :

- Climat - Âge de la plante

- Taille - Position de prélèvement

- Composition - Date de prélèvement

II. Les fibres végétales : quels inconvénients ?

Cro

issa

nce

du

lin

Sources : Gorshkova et al., Industrial Crops and Products, V18 (3), 2003, p213-221 C. Baley, Renforcement des polymères par des fibres végétales, Troyes, Septembre 2011

PP

PS

16

16

Utilisation des fibres seules :

Ouate de cellulose

Laine de chanvre

k=0,035 W/(mK)

k=0,04 W/(mK)

II. Les fibres végétales : Applications

Secteurs traditionnels : textile et papeterie

Secteurs grandissants : bâtiment, transports, loisirs

Matériau Conductivité (W/(mK)

Polyuréthane 0,025

Laine de verre 0,034

Ouate de cellulose

0,035

Laine de roche 0,038

Laine de chanvre

0,04

Tint

Source froide Source chaude

Text

e

int. .( )ext

kS T T

eOù : flux thermique (W) k : conductivité thermique (W/(m.K)) S : surface (m2) e : épaisseur (m)

Cas d’une paroi

17

Utilisation des fibres comme renforts de composites polymères :

Source : Ecotechnilin




fibre polymère Composite polymère

Le but premier est le

renfort mécanique du

polymère

18

Utilisation des fibres comme renforts de composites polymères :

Lin / epoxy

Source : LINEO NV

Source : Ecotechnilin

Fibres de lin Source : Ecotechnilin




Chanvre / PP Source : AFT Plasturgie

19

II. Problématique et moyens mis en place

Culture Récolte Extraction Transformation

finale

Quelles propriétés ?

Isolant thermique

Tenue mécanique

Diffusivité, conductivité

Module mécanique

DICO, Thermographie IR

DMA

Dispersion des propriétés Variété…

Compatibilisation fibre/matrice (traitement des fibres pour tenue méca)

Quels paramètres étudiés ?

- Variété des fibres - Zone de prélèvement - Traitement des fibres - Procédé de mise en œuvre - Fraction volumique des fibres - Porosité

fibre

vol

fibre matrice

V

V V

20 20

Dispositifs DICO :

DIffusivité, a COnductivité, k

Dispositif DICO (diffusivité, conductivité)

Source : A. Boudenne, L. Ibos, E. Gehin, Y. Candau, A simultaneous characterization of thermal conductivity and diffusivity of polymer materials by a periodic method, J. Phys. D: Appl. Phys. V37, (2004), 132-139

II. Technique de caractérisation : DICO

21

Dispositif expérimental

e

k, a

heh0

W

Front face Rear face

z0

T (z,t)

e

k, a

heh0

W

Front face Rear face

z0

T (z,t)

DT z,t( )= 2Gx

nx

ncos x

nd( ) + B

0sin x

nd( )é

ëùû

xn

2 + B0

2( ) 1+B

e

xn

2 + Be

2

æ

èçç

ö

ø÷÷+ B

0

n=1

¥

å exp -x

n

2t

t

æ

èçç

ö

ø÷÷

Modélisation thermique

II. Technique de caractérisation : Thermographie infrarouge

Mesure

Distributions de conductivité

et

diffusivité thermique

22

Intérêt : Permet de déterminer les propriétés mécaniques d’un matériau viscoélastique

Principe : Application d’une sollicitation sinusoïdale / mesure la déformation correspondante

DMA donne accès

E’, G’ : module élastique,

module de stockage, module de conservation

E ’’, G’’: module de perte, module dissipatif

Appareil utilisé : DHR2 de TA Instrument

DMA en torsion G’, G’’

« Qualité » de l’interface fibre/matrice

22

II. Technique de caractérisation : Analyse mécanique dynamique

23











• 1) Fibres exotiques / polymère


• 3) Fibres de lin / epoxy


23

24

III. Etudes expérimentales des fibres végétales

Fibres exotiques / polymère

Fibres exotiques seules

Fibres de lin / polymère

25

25

a) Présentation des systèmes étudiés

2 types de matrice

3 procédés de mis en œuvre

3 types de fibres végétales

Fibres de feuilles d’ananas

Fibres de banane

Fibres de sisal

PALF : « Pine Apple Leaf Fiber »

Ressource non exploitée à ce jour

Parmi les plus utilisées

Référence : Li et al., Composites Science and Technology, V60, (11), 2000 , pp2037-2055

fibre

vol

fibre matrice

V

V V

III.1) Propriétés thermophysiques de composites fibres exotiques / polymère

26

b) Identification des facteurs d’influence

26

La quantité de fibres

- Comportements opposés : k quand

k quand

- Fibres de banane sont plus isolantes

que le polypropylène

-Fibres de sisal sont plus conductrices

que la résine polyester

Sisal / Polyester Banane / Polypropylène

- Moyen d’estimer kfibre banane Références : Annie Paul et al. Composite Part A, 39, 1582-1588 (2008), Sreekumar et al. Journal of reinforced Plastics and Composites, 31 (2), 117-127 (2012)

fibre

vol

fibre matrice

V

V V


27


27

L’hybridation des fibres (mélange de plusieurs types de fibres)

- Or :

k quand

Les propriétés thermophysiques sont

fixées par la fibre la plus isolante

10/10

20/20

0/0

Banane-Sisal / Polyester

Observation :

k quand sisal

k quand banane

Références : Idicula et al., Composites Science and technology, 66 (15), 2719-2725, 2006


28


28

Traitement des fibres

Problématique majeure dans les composites : l’adhésion fibre/matrice

Littérature abondante sur propriétés mécaniques, très peu sur propriétés thermophysiques


2 types de traitements

Amélioration du transfert de chaleur KMnO4, Benzoylation

Peu d’effet ou diminution de la conductivité thermique Thermique, NaOH, Silane


29


29



Amélioration du transfert de chaleur : Benzoylation Sisal Fiber surface

Réduction de l’hydrophilicité Augmentation la compatibilité fibre / matrice




30


30



Diminution de tranfert de chaleur : NaOH

Fibrillation

de la surface de contact

Diminution de k




31





32

Application dans le domaine du bâtiment, remplacement des matériaux d’isolation classique Exploitation annuelle : Potentiel de 2 Mtonnes annuelles (parties renouvelables)

Collaboration Université de Batna, Algérie

PDN

PM

DPEG

BDN

BM

DBEG

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

k (

W.m

-1.K

-1)

Echantillons

PDN PMD PEG BDN BMD BEG

0

5

10

15

20

25

30

r

Prélèvement dans la plante

Pétiole Grappe

Variété de bois: ElGhers, Deglet-Nour, Mech-Degla

Influence de la variété de bois et de la zone de prélèvement :

III.2) Propriétés thermophysiques du bois de palmier dattier

DICO

P : Pétiole

B : Grappe

DN : Pétiole Deglet Nour

MD : Pétiole Mech-Degla

EG : Pétiole ElGhers

33 Collaboration Université de Batna, Algérie

Flux de chaleur Flux de chaleur

T

au flux // au flux


PDN

PM

DPEG

BDN

BM

DBEG

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

k (

W.m

-1.K

-1)

Echantillons


0

5

10

15

20

25

30

r


Pétiole Grappe


Influence de l’orientation des fibres :


DICO

34

PDN

PDN //

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

Pression atmosphérique

Sous vide

k (

W.m

-1.K

-1)

Echantillons

PDN PDN // --

0

2

4

6

a ×

10

-7 [m

2.s

-1]

Orientation des fibres, Porosité P

atm

Patm

Vid

e

Vid

e

Collaboration Université de Batna, Algérie


PDN

PM

DPEG

BDN

BM

DBEG

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

k (

W.m

-1.K

-1)

Echantillons


0

5

10

15

20

25

30

r


Pétiole Grappe


Influence de l’orientation des fibres et de la pression :


DICO

35 Collaboration Université de Batna, Algérie


Comparaison à d’autres matériaux naturels

Conclusion : - Les parties renouvelables du bois de palmier constituent un bon isolant thermique - Effet de l’orientation des fibres n’est pas significatif - Effet important de la porosité

Palmier

Palmier


DICO

36





37

Variations de k en fonction de la pression : essais sur composites Epoxy / fibres de Lin ; collab (U. Caen)

III.3) Porosité de composites lin/epoxy par méthode thermique

Objectifs : Obtenir la distribution de taille pores pour remonter aux types de porosité

Source : C.Poilâne, laboratoire CIMAP Alençon

38

Conductivité thermique de l’air : - Effet Knudsen :

Variations de k en fonction de la pression : essais sur composites Epoxy / fibres de Lin ; collab (U. Caen)

III.3) Porosité de composites lin/epoxy par méthode thermique DICO

http://www.cnrt.ensicaen.fr/IMG/jpg/Photo_1_Lin.jpg

39

Dispositif expérimental

0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.220

5

10

Sample 3 - porosity rate=6%

a (mm2.s

-1)

Num

ber

0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.220

5

10


a (mm2.s

-1)

Num

ber

0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.220

5

10


a (mm2.s

-1)

Num

ber

0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.220

5

10


a (mm2.s

-1)

Num

ber

Distribution diffusivité et conductivité thermique

III.3) Porosité de composites lin/epoxy par thermographie IR

40

01

04 02,03

1Hz Echantillon Nom Traitement textile

01 Non traité Non treated tissue

02 Lessivé Leaching of tissue with a detergent

03 Blanchi Bleaching of tissue

with peroxide

04 Mercerisé Mercerization of tissue with NaOH

at T=20-30 C

_01; 1,39

_02; 1,77 _03; 1,725

_04; 2,28

0

0,5

1

1,5

2

2,5

G’ e

n G

Pa

Comparaison de G’ à Tamb

_01; 0

_02; 27 _03; 24

_04; 64

0

10

20

30

40

50

60

70

% d’amélioration de G’ par rapport au non traité

Influence des traitements chimiques sur les propriétés mécaniques

III.3) Etude thermomécanique des systèmes lin / epoxy DMA

41

41

- Les études futures devraient à l’avenir privilégier : - l’utilisation de ressources locales - l’utilisation de résidus de végétaux actuellement non valorisés - l’utilisation de matières naturelles pour le traitement des fibres

Prochaines études :

- Prolongation de l’étude sur la porosité : Influence du procédé de mise en œuvre sur le taux de porosité

Conclusion et Perspectives

Les fibres végétales : utilisation en pleine expansion, renouvelables, légères

Actuellement, collaborations universitaires et industrielles… d’autres applications ?

Mise en évidence de plusieurs facteurs d’influence :

Taux fibres, hybridation ,traitement des fibres, variétés des fibres, orientation des fibres,

porosité…

42

42

Remerciements

Magali FOIS

Yves CANDAU

Vincent FEUILLET

Laurent IBOS

Jean-Pierre MONCHAU

Atef MAZIOUD

Merci pour votre attention.

Abdel BOUDENNE

Documents

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