Généralités sur les composites bois-polymères

Généralités sur les composites bois-polymères

Les composites bois-polymères sont des matériaux fabriqués à partir d’un mélange de polymère et de fibres de bois souvent à l’état fondu. Ces bio-composites sont des matériaux pouvant être utilisés dans diverses applications, telles que les matériaux de construction, 1’infrastructure municipale, des planchés, les intérieurs de portières des voitures, etc. Selon le type de renfort, les matériaux composites se présentent sous différente forme :

Composites à renforts de particules
Le renfort est considéré comme une particule si toutes ses dimensions sont approximativement égales et petites devant les autres dimensions du matériau. Les particules dures sont dispersées aléatoirement dans la matrice moins rigide.

Composites à renforts de paillettes
Les paillettes ont une dimension très faible par rapport aux autres dimensions. La dispersion de ces particules minces est généralement aléatoire. Cependant, les paillettes peuvent être rangées parallèlement afin d’avoir des propriétés plus uniformes dans le plan .

Composites à renforts de fibres
Les renforts de ce type de composites se présentent sous forme filamentaire (des fibres organiques ou inorganiques). Selon leurs applications, les fibres utilisées prennent la longueur de la pièce (fibres longues noyées dans une matrice isotrope avec orientation établie) ou coupées en petite longueur (fibres courtes dispersées dans la matrice, généralement sans orientation préférentielle).

Composites stratifiés
Le composite est constitué par au moins deux couches minces de matériau. Les couches peuvent être composées de différents matériaux monolithiques comme dans les métaux plaqués ou de même matériau composite empilé selon différentes orientations comme pour des stratifiés composites à renforts de fibres longues. Ce dernier devient une classe hybride du composite comportant à la fois le composite à renfort de fibres et la technique de stratification.

L’intérêt porté aux CBP est une conséquence des considérations économique, environnementale et politique. En plus, la demande croissante en CBP s’explique par les multiples avantages qu’offre ce matériau comparativement aux plastiques. Les CBP sont des matériaux qui tendent à remplacer les plastiques notamment dans des applications nécessitant une rigidité supérieure. Les CBP possèdent généralement une meilleure performance thermique (isolation thermique) que les matières plastiques, ce qui pourrait permettre leur utilisation dans de nombreuses applications de construction structurale (Wechsler et Hiziroglu 2007). Sur le plan environnemental, la fabrication des bio-composites favorise l’utilisation de sous produits naturels permettant de réduire la production de plastique ce qui le rend un matériau à caractère écologique. Sur le plan économique, le prix du plastique étant beaucoup plus cher que celui du bois sur le marché international, l’incorporation du bois dans les matériaux plastiques entraînerait une baisse du coût lié à une moindre utilisation de ces matériaux. Sur le plan technologique, les bio-composites sont des matériaux présentant une résistance élevée à la traction et une grande rigidité. Néanmoins, l’utilisation des bio-composites présente également quelques inconvénients. À titre d’exemple, l’incorporation de fibres de bois dans une matrice de plastique complique le recyclage de ces deux matériaux. De plus, le prix de ventes élevées des bio-composites (Nishino, Matsuda et al. 2003), leur apparence « synthétique » et leur résistance mécanique inférieure à celle du bois sont des obstacles à la progression des CBP (Wegst et Ashby 2004).

Constituants des matériaux CBP

Dans cette partie on présent les différents constituants des CBP à savoir les fibres de bois utilisées en tant que renforts, les polymères thermoplastiques de la matrice et les agents de couplage permettant d’assurer la liaison entre ces deux matériaux.

Fibres de bois 

Le bois est un matériau de construction présentant de multiples avantages dont les principaux sont sa légèreté, sa capacité à absorber les chocs, son caractère isolant et sa facilité de transformation. Chaque variété d’essences offre une gamme de propriétés qui lui est spécifique. Ainsi, les propriétés d’un bois feuillu diffèrent de celles d’un bois résineux (Zobel 1981). Les bois résineux tels que le sapin ou l’épicéa, légers et solides, seront privilégiés pour des structures porteuses alors que les bois durables tels que le châtaignier ou le cèdre rouge, capables de résister aux intempéries, seront privilégiés dans des applications en extérieur. La fibre végétale de bois est constituée principalement de trois polymères organiques : la cellulose, les hémicelluloses et la lignine. Ces polymères sont agencés dans la paroi de la fibre d’une façon précise. Ces parois sont caractérisées par l’orientation des fibres de cellulose ainsi que par la proportion de lignines et d’hémicelluloses, qui assure la cohésion de la fibre végétale. (Jaouen 2007). Les proportions et le positionnement des différents constituants varient d’une variété d’essence à l’autre .

La paroi primaire de la fibre de bois est constituée de micro fibrilles de cellulose prises dans une matrice constituée principalement de lignines, de substances pectiques et d’hémicelluloses (Jaouen 2007). La paroi secondaire est quant à elle constituée de trois couches (S1, S2 et S3) déposées à l’intérieur de la paroi primaire, la couche S1 étant la plus externe. La couche S2 qui se distingue par son épaisseur représente jusqu’à 85% de la paroi de chaque fibre et les propriétés physiques des parois des fibres de bois dépendent de l’orientation de la matière cette couche (Jaouen 2007). Les micros fibrilles de cellulose y ont, en temps normal, une inclinaison de 5 à 30° par rapport à l’axe longitudinal de la cellule. Dans les couches S1 et S3, l’inclinaison des microfibrilles est de 60 à 90° (Jaouen 2007). Finalement, la lamelle mitoyenne, située entre les fibres joue le rôle d’une colle assurant la cohésion entre les fibres (Jozsa et Middleton 1994).

Polymères thermoplastiques

D’un point de vue chimique, un polymère est une macromolécule constituée de la répétition de nombreuses sous-unités ou monomères. Il existe différentes classes de polymère. Les plus répandus étant les thermoplastiques et les thermodurcissables. Les polymères thermoplastiques sont des chaînes de polymères linéaires ou ramifiées. Ils changent d’état physique selon la variation de la température. Ils ramollissent sous l’effet de la chaleur, et se solidifient en cas de refroidissement. Généralement, les polymères thermodurcissables sont des plastiques qui offrent une stabilité dimensionnelle et une résistance à la chaleur ou aux produits chimiques aussi bonne que les thermoplastiques. Néanmoins, les thermoplastiques offrent une meilleure résistance à l’impact et leur mise en œuvre est plus facile et ils sont de très loin les polymères les plus utilisés (Maddah 2016). La structure moléculaire des polymères thermoplastiques solides est soit amorphe (non organisée), soit cristalline (organisée). Ces deux structures peuvent coexister en proportions variables. On parle alors de polymère semi-cristallin. Le degré de polymérisation, directement proportionnel à la masse molaire du polymère, conditionne les propriétés mécaniques et thermiques des polymères thermoplastiques ainsi que l’aptitude à leur mise en œuvre sur machines (Maddah 2016).

Agents de couplage

Les performances mécaniques des bio-composites à matrice thermoplastique renforcés de fibre de bois dépendent de la qualité de l’adhésion entre la matrice polymérique et les renforts organiques. Le lien entre la matrice thermoplastique (hydrophobe) et les renforts de fibre de bois (hydrophiles), peu compatibles, doit être amélioré à l’aide d’agents de couplage ou par traitement chimique de la surface des fibres de bois (George et al. 2001). Les agents couplant jouent le rôle de ponts entre la fonction hydroxyle de la fibre de bois et la liaison hydrogène du polymère (Georgopoulos et al. 2005). Les agents de couplage peuvent être organiques (amides et anhydride), inorganiques (silicates) ou bien organiques-inorganiques (titanates) (Lu et al. 2007). La proportion idéale de l’agent du couplage dans le bio composite doit être de l’ordre de 3% de la masse totale (Li 2012). D’autres approches tels que l’estérification, l’acétylation ainsi que le traitement aux silanes, alcalins ou enzymatiques peuvent être  utilisés pour assurer le lien entre les fibres de bois et la matrice polymérique. Pour plus d’informations concernant ces types de traitement, consulter (Tazi 2015).