Synthese bibliographique sur les fibres naturelles

Pourquoi utilise-t-on les fibres végétales ?
Actuellement, dans le cadre du développement durable, des efforts considérables sont réalisés par les chercheurs afin de développer des matériaux de construction qui respectent l’environnement « eco-friendly ». Parmi ces matériaux écologiques, les fibres végétales provenant du secteur forestier ou agricole sont considérées aujourd’hui comme une alternative intéressante aux fibres classiques (amiante, verre, carbone et aramide). L’utilisation des fibres végétales continue d’augmenter en raison de leurs avantages : faible densité par rapport aux fibres de verre, renouvelables, faible coût, propriétés mécaniques élevées (résistance à la traction). De plus, la disponibilité des plantes à fibres dans les pays sous-développés lui permet de produire les fibres végétales avec peu de technologie et une faible quantité d’énergie grise. De plus, les fibres végétales ont une structure poreuse, ce qui conduit à une bonne isolation thermique et acoustique. D’autre part, en raison de leur flexibilité, la manipulation des fibres végétales est très facile notamment si le pourcentage de fibres mélangé à la matrice est élevé contrairement aux autre types de fibres à l’exemple des fibres en acier. Les fibres naturelles font par conséquent partie de la nouvelle génération de renforts qui respecte l’environnement et peuvent être incorporés dans diverses matrices pour en faire des matériaux écologiques, légers et à faible coût.

ORIGINES DES FIBRES NATURELLES

Les fibres naturelles sont subdivisées en fonction de leurs origines, venant de plantes (cellulosique), d’animaux (protéinique) ou de minéraux (amiante) [BLE 99].

Les fibres végétales 

Définition
Les fibres végétales peuvent être considérées comme composites naturels constituées essentiellement de fibrilles de cellulose, maintenues ensemble par une matrice composée principalement de lignine et d’hémicellulose . Les fibrilles de cellulose sont orientées en hélice suivant un angle nommé angle microfibrillaire [BAL 13]. Les conditions climatiques, l’âge et le processus de digestion influe non seulement sur la structure des fibres, mais aussi la composition chimique [BLE 99].

Composition chimique
Les principales composantes des fibres végétales sont la cellulose (α-cellulose), l’hémicellulose, la lignine, la pectine, et les cires [BLE 99] [JOH 08].

La Cellulose
La cellulose est le composant essentiel de toutes les plantes des fibres. En 1838, Anselme Payen [PAY 38] a suggéré que les parois cellulaires d’un grand nombre de plantes sont constituées de la même matière, à laquelle il donna le nom de cellulose. D’un point de vue chimique, La cellulose est un polymère naturel linéaire constitué par unités répétitives de glucoses (C6H11O5) reliées entre elles par une liaison glycosidique du type β1-4 comme indiqué sur la figure 1.3 [THI 95] [JOH 08] [BLE 99]. Les nombreux groupements hydroxyles (OH) sont responsables du comportement physico-chimique de la cellulose [THI 95]. Les microfibrilles de cellulose sont donc constituées de zones cristallines ordonnées et de zones amorphes désordonnées [JOH 08] [BLE 99]. La cellulose n’est pas hydrosoluble ; mais fortement hydrophile [SED 07]. La cellulose résiste aux fortes solutions alcalines (jusqu’à 17,5% en poids) ; mais elle est facilement hydrolysée par l’acide en sucres hydrosolubles. La cellulose est relativement résistante aux agents oxydants [JOH 08]. La cellulose est responsable de la résistance mécanique de la plante.

Hémicelluloses
Les hémicelluloses sont par définition les polysaccharides non cellulosiques présents dans les parois cellulaires des végétaux [THI 95]. L’hémicellulose diffère de la cellulose sur trois aspects. Tout d’abord, elle est composée de sucres neutres tel que: xylose, arabinose, galactose, glucose, mannose, et d’acides uroniques alors que la cellulose ne contient que des unités (1,4_β-D-glucopyranose) (figure 1.4). Deuxièmement, elle présente un degré considérable de branchements contenant des groupes latéraux à l’origine de sa nature noncristalline, tandis que la cellulose est un polymère linéaire. Troisièmement, l’hémicellulose a un degré de polymérisation compris entre 50 et 300, alors que le degré de polymérisation de la cellulose native est 10 à 100 fois supérieur à celle de l’hémicellulose [JOH 08] [DOT 11].

L’hémicellulose forme la matrice de support des microfibrilles de cellulose. L’hémicellulose est très hydrophile, soluble dans les solutions alcalines et facilement hydrolysée dans les acides [JOH 08]. L’hémicellulose est responsable de la biodégradation, l’absorption d’humidité et de la dégradation thermique de la fibre [SED 08].

Lignine
La lignine est un polymère hydrocarboné complexe à constituants aliphatiques et aromatiques [JOH 08]. La lignine est constituée de polymères phénoliques tridimensionnels, amorphes possédant trois unités différentes de type phénylpropane: les alcools p-coumarylique, coniférylique et sinapylique  [THI 95]. La lignine a une structure très hétérogène qui varie en fonction des différentes espèces végétales [RAG 10]. La lignine est non hydrolysée par des acides ; mais soluble dans une solution alcaline chaude. La lignine est totalement amorphe et de nature hydrophobe. C’est le composé qui donne la rigidité aux plantes [JOH 08]. La lignine est thermiquement stable ; mais elle est responsable de la dégradation de la fibre par les ultraviolets (UV) [SED 08].