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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
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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
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3
I. Activités de l’équipe Themacs
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…)
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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
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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
6
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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
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II. Présentation des fibres naturelles
8
8
Disponibilité dans presque tous les pays du monde !
Source : JEC Composites
Production annuelle
II. Les fibres végétales : quelles ressources ?
9
9
Source : JEC Composites
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 ?
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Fibre élémentaire
Source : Faruk et al., Progress in Polymer Science 37, 2012, 1552-1596
Source : JEC Composites
Exemple : Le lin
II. Les fibres naturelles : Composition ?
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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 ?
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12
La quantité d’énergie pour
produire un kilogramme de
fibres naturelles est très faible
Source : JEC Composites
II. Les fibres végétales : quels avantages ?
- 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
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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 !
II. Les fibres végétales : quels avantages ?
- Grande variété de fibres disponible dans tous les pays du monde
- Faible coût
- Issues des parties renouvelables des plantes
- Faible impact environnemental
- Faible densité : Légèreté !
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- 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
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- 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
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Utilisation des fibres comme renforts de composites polymères :
Source : Ecotechnilin
II. Les fibres végétales : Applications
Secteurs traditionnels : textile et papeterie
Secteurs grandissants : bâtiment, transports, loisirs
fibre polymère Composite polymère
Le but premier est le
renfort mécanique du
polymère
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Utilisation des fibres comme renforts de composites polymères :
Lin / epoxy
Source : LINEO NV
Source : Ecotechnilin
Fibres de lin Source : Ecotechnilin
II. Les fibres végétales : Applications
Secteurs traditionnels : textile et papeterie
Secteurs grandissants : bâtiment, transports, loisirs
Chanvre / PP Source : AFT Plasturgie
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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
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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
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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
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II. Technique de caractérisation : Analyse mécanique dynamique
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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 ?
II. Présentation des fibres naturelles
• 1) Fibres exotiques / polymère
• 2) Fibres exotiques seules (palmier dattier)
• 3) Fibres de lin / epoxy
III. Exemples de résultats
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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
III.1) Propriétés thermophysiques de composites fibres exotiques / polymère
27
b) Identification des facteurs d’influence
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
III.1) Propriétés thermophysiques de composites fibres exotiques / polymère
28
b) Identification des facteurs d’influence
28
Traitement des fibres
Problématique majeure dans les composites : l’adhésion fibre/matrice
Littérature abondante sur propriétés mécaniques, très peu sur propriétés thermophysiques
Références : Idicula et al., Composites Science and technology, 66 (15), 2719-2725, 2006
2 types de traitements
Amélioration du transfert de chaleur KMnO4, Benzoylation
Peu d’effet ou diminution de la conductivité thermique Thermique, NaOH, Silane
III.1) Propriétés thermophysiques de composites fibres exotiques / polymère
29
b) Identification des facteurs d’influence
29
Traitement des fibres
Références : Idicula et al., Composites Science and technology, 66 (15), 2719-2725, 2006
Amélioration du transfert de chaleur : Benzoylation Sisal Fiber surface
Réduction de l’hydrophilicité Augmentation la compatibilité fibre / matrice
Problématique majeure dans les composites : l’adhésion fibre/matrice
Littérature abondante sur propriétés mécaniques, très peu sur propriétés thermophysiques
III.1) Propriétés thermophysiques de composites fibres exotiques / polymère
30
b) Identification des facteurs d’influence
30
Traitement des fibres
Références : Idicula et al., Composites Science and technology, 66 (15), 2719-2725, 2006
Diminution de tranfert de chaleur : NaOH
Fibrillation
de la surface de contact
Diminution de k
Problématique majeure dans les composites : l’adhésion fibre/matrice
Littérature abondante sur propriétés mécaniques, très peu sur propriétés thermophysiques
III.1) Propriétés thermophysiques de composites fibres exotiques / polymère
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III. Etudes expérimentales des fibres végétales
Fibres exotiques / polymère
Fibres exotiques seules
Fibres de lin / polymère
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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
Application dans le domaine du bâtiment, remplacement des matériaux d’isolation classique Exploitation annuelle : Potentiel de 2 Mtonnes annuelles (parties renouvelables)
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 l’orientation des fibres :
III.2) Propriétés thermophysiques du bois de palmier dattier
DICO
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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
Application dans le domaine du bâtiment, remplacement des matériaux d’isolation classique Exploitation annuelle : Potentiel de 2 Mtonnes annuelles (parties renouvelables)
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 l’orientation des fibres et de la pression :
III.2) Propriétés thermophysiques du bois de palmier dattier
DICO
35 Collaboration Université de Batna, Algérie
Application dans le domaine du bâtiment, remplacement des matériaux d’isolation classique Exploitation annuelle : Potentiel de 2 Mtonnes annuelles (parties renouvelables)
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
III.2) Propriétés thermophysiques du bois de palmier dattier
DICO
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III. Etudes expérimentales des fibres végétales
Fibres exotiques / polymère
Fibres exotiques seules
Fibres de lin / polymère
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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
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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
Sample 4 - porosity rate=12%
a (mm2.s
-1)
Num
ber
0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.220
5
10
Sample 5 - porosity rate=7%
a (mm2.s
-1)
Num
ber
0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.220
5
10
Sample 6 - porosity rate=12%
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