Généralité sur les fibres lignocellulosiques

Le monde végétal est une source inépuisable de matériaux naturels, qUI peuvent concurrencer les matériaux d’origine fossile. La fibre lignocellulosique est parmi les matériaux naturels les plus étudiés en raison de ses caractéristiques remarquables sur les plans environnemental et économique. Cependant, son utilisation comme alternative aux composés pétroliers nécessite une connaissance approfondie de sa structure, de ses propriétés et de ses interactions avec d’ autres matériaux de nature différente.

Origine, structure et composition chimique des fibres végétales 

Origine

Les fibres cellulosiques, utilisées pour renforcer les composites à matrice polymérique, peuvent être classées suivant leurs origines botaniques et leurs localisations dans la plante [8]. On distingue :

➤ Les fibres de bois ; elles peuvent être issues des résineux (pin, épinette noire, cèdre … ) ou des feuillus (chêne, peuplier, bouleau … ). Ces deux sources de bois permetterlt d’obtenir des fibres avec des caractéristiques différentes ayant des conséquences sur les propriétés du produit final (papier, composite … ).

➤ Les plantes annuelles ; elles présentent des structures très variées qui pennettent selon le type de plante, d’extraire les fibres cellulosiques à partir de la tige (lin, chanvre, jute … ), de la feuille (agave, banane, ananas … ), des graines ou des fruits (coton, coco … ) par des procédés mécaniques, thermiques, chimiques, enzymatiques, ou des combinaisons de ceux-ci [2, 8]. La diversité et la qualité des fibres issues de ces plantes font d’ elles une alternative écologique des fibres du bois pour certaines application.

Structure et composition chimique 

D’un point de vue structurel, les fibres lignocellulosiques sont composées d’une matrice, constituée principalement d’ hémicelluloses et de lignine, renforcée par des fibrilles de cellulose.

➤ Cellulose
La cellulose est pondéralement et structurellement l’élément constitutif majeur des fibres végétales. La détermination de sa formule exacte date de 1913. Après de nombreuses études portant sur la structure du glucose et du cellobiose [21 , 22] et la dégradation chimique partielle de la cellulose et ses dérivés [23], il a été prouvé que la cellulose a une structure polymérique constituée d’enchaînement de monomères cellobioses liés par des liaisons β  (1 ,4) [24]. Cet homopolymère est caractérisé par un grand poids Inoléculaire avec un degré de polymérisation qui peut dépasser 36000 dans le cas de la cellulose extraite du lin. A titre indicatif, un degré de polymérisation (OP) de 14000 est équivalent à une longueur d’environ 7 um [9, 25].

Les chaines de cellulose sont liées par des ponts hydrogènes intra- et intermoléculaires   et des liaisons de type Van der Waals. L’association de nombreuses macromolécules de cellulose permet la formation de fibrilles élémentaires ; une fibrille élémentaire est constituée en moyenne de 36 chaînes; ces fibrilles élémentaires s’ assemblent en microfibrilles et favorisent l’ établissement d’ une structure microcristalline [8, 9]. Cette structure fibrillaire condensée est à l’ origine des caractéristiques remarquables de la cellulose.

➤ Hémicelluloses
Les hémicelluloses sont des polysaccharides complexes de faible poids moléculaire (degré de polymérisation moyen de 150), très hydrophiles et solubles en milieu alcalin. Leur squelette est composé de résidus β -(l ,4 )-D-pyranose, où l’O-4 est en position équatoriale . Les pyranoses peuvent être des glucoses, mannoses ou xyloses. Ces unités répétitives présentent de multiples possibilités d’associations et de branchements.

➤ Lignine
La lignine est une macromolécule fortement hétérogène, biosynthétisée à partir de trois alcools phénoliques (syringyle, guaïacyle et p-hydroxyphényle). Ces unités peuvent s’assembler de multiples façons par des liaisons oxygène-carbone ou carbone-carbone formant ainsi une structure tridimensionnelle très ramifiée  [28, 29]. La lignine est de nature thermoplastique (température de ramollissement ~ 90 °C et écoulement à ~ 170 °C) et présente une faible affinité avec l’eau.

La composition chimique et la morphologie microstructurale des fibres lignocellulosiques sont extrêmement complexes à cause de l’ organisation hiérarchique des différents constituants présents à différents pourcentages. La composition chimique dépend de la nature de la fibre, des conditions de croissance, des conditions climatiques, de l’âge de la fibre …