De la mise en œuvre à l'analyse du comportement mécanique de composites techniques biosourcés recyclables polymères thermoplastiques/fibres continues de bambou

From processing to mechanical behavior analyses of biobased technical composites thermoplastic polymers / continuous bamboo fibers

• Auteur / Autrice : Louise Lods
• Direction : Eric Dantras, Colette Lacabanne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 26/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Florence Pettinari-Sturmel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Dantras, Colette Lacabanne, Florence Pettinari-Sturmel, Chung Hae Park, Laurent Delbreilh, Emeline Dudognon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chung Hae Park, Laurent Delbreilh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éco-matériaux

Composites thermoplastiques

Teneur en fibres

Bambous

Mots clés libres

Fibres techniques de bambou

Polyamides biosourcés

Matrices thermoplastiques

Composites recyclables

Ignifugeant

Analyse thermique

Analyse mécanique

Module vitreux/caoutchoutique

Technical bamboo fibres

Biobased polyamides

Thermoplastic matrices

Sustainable composites

Fire retardant

Thermal analysis

Mechanical analysis

Glassy/rubbery modulus

Résumé

Depuis quelques années, les fibres naturelles suscitent l'intérêt des scientifiques et des industriels en raison de leur faible densité, d'un coût compétitif ainsi que de leur caractère renouvelable et biodégradable. De par ses propriétés mécaniques spécifiques et son bilan environnemental avantageux le bambou est une alternative intéressante au verre sous la morphologie fibre. Cependant, il faut maitriser la variabilité des propriétés et une sensibilité accrue à l'humidité. L'objectif de ce travail de thèse est d'élaborer des composites techniques à matrice thermoplastique avec renfort fibres bambou continues, totalement biosourcés et recyclables. Dans un premier temps, la reproductibilité du bambou et ses propriétés en tant que matériau de renfort ont été étudiées par analyse thermique (entre différentes espèces et en différents points de la canne). Pour optimiser le cycle de vie du composite final, un bambou à croissance locale a été choisi. Un protocole d'extraction des fibres de bambou a été mis au point. Ce procédé de défibrage alliant approche mécanique et chimique a permis d'obtenir des fibres exemptes de matrice végétale ce qui est favorable à une bonne interface avec la matrice polymère. De plus, les fibres de bambou ne sont pas endommagées par le traitement, et donc leurs propriétés mécaniques sont maintenues avec un module de Young de 26 GPa. En parallèle, les conditions de mise en œuvre des composites thermoplastiques/fibres continues de bambou ont été établies et des échantillons ont été réalisés. Deux thermoplastiques ont été utilisés pour cette étude : la matrice polyamide méta-xylylène diamine 10 pour l'approche fondamentale et la matrice polyamide 11 ignifugée pour satisfaire aux exigences de normes Feu, Fumées, Toxicité (FFT). La dernière étape a été consacrée à l'analyse du comportement mécanique dynamique en cisaillement et en élongation de composites élaborés à l'échelle "laboratoire". Les performances obtenues avec ces composites biosourcés recyclables sont cohérentes avec le cahier des charges de composites techniques. Enfin, des échantillons de taille "pilotes" multiplis multidirectionnels mis en œuvre au laboratoire, ont des performances très encourageantes. Cette recherche est insérée dans le programme "BAmboo continuous fibre reinforced biobased Matrices COmposites / BAMCO" supporté par la BPI et le Conseil Régional d'Occitanie dans le cadre du FUI 24.

Nowadays, natural fibers are attractive for scientific and industrial community because of their low density, competitive cost, and their renewable, sustainable and biodegradable nature. Due to its specific mechanical properties and its advantageous environmental balance, bamboo is an interesting alternative to glass. However, we must consider the variability of properties and the moisture sensitivity. The objective of this research is to develop technical composites with a thermoplastic matrix and continuous bamboo fibers reinforcement, totally bio-based and sustainable. First, the reproducibility of bamboo and its properties as a reinforcing material were studied by thermal analysis (between different species and at different location along the cane). To optimize the life cycle of the final composite, locally grown bamboo was chosen. A protocol for extracting bamboo fibers was developed. This original process combining a mechanical and chemical approach made possible to obtain fibers free of vegetal matrix, which is favorable to a good interface with the polymer matrix. In addition, bamboo fibers are not damaged by processing, and therefore their mechanical properties are maintained with a Young's modulus of 26 GPa. At the same time, the conditions for using thermoplastic composites / continuous bamboo fibers were established and samples were processed. Two thermoplastics were used for this study: the meta-xylylenediamine 10 polyamide matrix for the fundamental approach and the flame retardant polyamide 11 matrix to meet the requirements of Fire, Smoke, Toxicity standards. The last step was devoted to the analysis of the dynamic mechanical behavior in shear and elongation of composites produced on a "laboratory" scale. With these recyclable biobased composites, the performances are consistent with the specifications for technical composites. Finally, samples of "pilot" size multidirectional multiply implemented in the laboratory, have very promising performances. This research was inserted in the framework of the "BAmboo continuous fiber reinforced biobased Matrices COmposites / BAMCO" program supported by the BPI and the Regional Council of Occitanie as part of FUI 24.