Élaboration de matériaux composites à base de fIlaments de cellulose et de polyéthylène

Fort d’une croissance annuelle de l’ordre de 6%, le secteur des matériaux composites est actuellement en pleine expansion et se doit de répondre aux exigences d’un marché en constante évolution. Les matériaux composites sont constitués de l’agencement de plusieurs matériaux non miscibles dont les qualités de chaque constituant se complètent pour former des matériaux aux propriétés accrues. Ils possèdent ainsi de nombreux avantages leur permettant de concurrencer directement les matériaux dits conventionnels tels que les métaux ou les alliages. Le secteur de l’aéronautique est le parfait exemple de l’émergence des matériaux composites au profit des matériaux traditionnels. L’utilisation de composites permet de réduire significativement le poids des appareils, diminuant ainsi la consommation en carburant, tout en conservant des propriétés de résistance similaires.

En 2009, Boeing a lancé le « 787 Dreamliner» composé à 50% de matériaux composites. Son concurrent direct Airbus a riposté en 2013 avec le « A350 XWB» constitué à 53% de composites. Les gains de masse de ces avions sont estimés entre 20 et 25%.

Les matériaux composites sont omniprésents dans notre vie quotidienne. On les retrouve par exemple dans le secteur automobile où les pare-chocs et certaines pièces d’intérieur des voitures sont fait en composites de fibres de verre. Ils sont également présents dans de nombreux objets du quotidien tels que les montures de lunettes, les coques de smartphones et de tablettes ou encore les raquettes de tennis et de badminton.

La raréfaction des ressources pétrolières ainsi que l’ augmentation de la conscience environnementale, apparue dans le courant des années 1990, ont permis aux différentes populations de réaliser l’ importance de leurs faits et gestes sur la santé de notre planète. Il apparait nécessaire de réduire nos émissions de C02 et nos quantités de déchets, d’améliorer les procédés de recyclage, ou encore de limiter notre dépendance aux matériaux d’origine fossile. De ce fait, de nombreuses normes environnementales ont vu le jour ces dernières années afin d’assurer la pérennité de notre planète. Des changements qui ne sont pas sans impacter notre quotidien et celui des industries.

Le remplacement des fibres synthétiques par des fibres naturelles de cellulose engendre un intérêt certain dont les motivations principales sont la réduction des coûts et l’obtention de matériaux biodégradables plus légers tout en évitant l’ abrasion de l’équipement. Malgré cela, les matériaux composites à base de fibres naturelles sont encore au stade de développement. Le principal frein est la difficulté rencontrée lors de l’ incorporation de ces fibres à des matrices polymères. En effet, le caractère hydrophile des fibres ne permet pas une bonne compatibilité avec des matrices polymères hydrophobes. Il en résulte une mauvaise dispersion au sein de la matrice et a fortiori des propriétés mécaniques bien en deçà de celles escomptées. Il apparait également d’ autres désagréments, comme la tendance à absorber l’humidité des fibres de cellulose, ce qui est nuisible à la durabilité du matériau, ou encore les températures de procédé qui doivent être inférieures à 200°C afm d’éviter la dégradation des fibres, ce qui limite le type de polymère thermoplastique utilisable (polyéthylène, polypropylène, chlorure de polyvinyle et polystyrène). Ces derniers représentent malgré tout 70% des thermoplastiques utilisés en industrie.

Pour remédier à ces différents inconvénients et ainsi créer des matériaux innovants au fort potentiel, différentes stratégies sont mises en place. Le fil conducteur de ces stratégies réside dans l’augmentation de la compatibilité entre les fibres et la matrice polymère. Pour ce faire, il apparait essentiel d’améliorer l’adhésion fibre/matrice. Ainsi, différents types de traitements physico-chimiques ont été proposés. Les traitements physiques (plasma, rayon gamma, … ) permettent d’améliorer la mouillabilité des fibres, alors que les méthodes chimiques (estérification, éthérification, … ) visent essentiellement à réduire la polarité des fibres.

C’est au prix de ces différents efforts que nous optimiserons le développement des matériaux composites à renfort de fibres de cellulose, afm de les propulser au hit-parade des produits incontournables du quotidien. Ces composés sont d’un intérêt majeur et peuvent permettre de sortir de la dépendance aux matériaux d’origine fossile dans laquelle nous sommes endigués. Ils vont également participer à réduire la pollution de notre planète. De plus, ce sont de formidables vecteurs de développement socio-économique. La valorisation des substances naturelles, comme la cellulose, permet la création d’emplois dans les zones rurales, ainsi que la relance de l’économie des milieux agricole et forestier en difficulté.

De l’arbre aux fIlaments de cellulos

De nos jours, l’utilisation des substances naturelles se fait de plus en plus présente dans notre quotidien. L’intérêt de tels composés repose sur leurs caractères renouvelables, biodégradables et non polluants. Cet essor considérable pour les substances naturelles est apparu au début des années 1990 et n’a cessé de croitre. Les éléments déclencheurs sont la prise de conscience collective de l’impact négatif de la mondialisation sur l’ environnement, ainsi que la raréfaction des ressources pétrolières. Les fibres de cellulose font parties des substances naturelles les plus étudiées et les plus utilisées à l’heure actuelle.

Les fibres lignocellulosigues

Origine et structure des fibres lignocellulosigues :
Les fibres lignocellulosiques exploitées dans l’ industrie, proviennent principalement des arbres, qu’ils soient feuillus ou résineux. Elles peuvent également être obtenues à partir de différentes plantes comme le lin ou le chanvre. Les caractéristiques des fibres sont fonction de leur origine botanique. Ainsi, selon les propriétés désirées une essence pourra être privilégiée par rapport à une autre.

D’un point de vue cellulaire , les fibres lignocellulosiques sont entourées par la lamelle moyenne qui assure la cohésion entre les cellules et confere à la fibre ses propriétés de rigidité. On distingue ensuite la paroi primaire très fme et la paroi secondaire beaucoup plus dense et résistante. La paroi secondaire est subdivisée en trois couches notées SI, S2 et S3. Elle est majoritairement constituée de micro fibrilles de cellulose alignées parallèlement et dispersées en hélices. Les couches SI, S2 et S3 vont fournir à la fibre sa résistance à la traction et à l’écrasement. Enfm, le lumen est la cavité au centre de la fibre qui va permettre la circulation de la sève.

La cellulose:
La cellulose est le polymère le plus abondant à la surface de la Terre. Il s’agit d’un homopolymère linéaire constitué exclusivement d’unités D-glucopyranose, reliées entre elles par des liaisons p-l,4. Cette structure a été élucidée en 1920 par Hermann Staudinger [2]. La brique élémentaire de la cellulose, composée de l’assemblage de deux unités anhydroglucose, est appelée cellobiose  . Les chaînes de cellulose présentent la particularité d’avoir deux extrémités chimiquement différentes. L’une est appelée extrémité réductrice, elle correspond à l’extrémité dont la fonction alcool anomérique de l’unité anhydroglucose est libre. De ce fait, elle est en équilibre avec la forme aldéhyde minoritaire. L’autre extrémité est appelée extrémité non réductrice. La cellulose possède une structure semi-cristalline, c’est-àdire qu’elle présente à la fois des zones très ordonnées (zones cristallines) et des zones désordonnées (zones amorphes). Les zones cristallines vont conférer à la cellulose son importante résistance mécanique, alors que les zones amorphes vont conduire au gonflement de la cellulose en présence de solvant.