Contribution à l'étude du comportement hygro-mécanique de fibres végétales

Hydro-mechanical behavior of plant fibres

• Auteur / Autrice : Amandine Celino
• Direction : Frédéric Jacquemin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes (1962-2021)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hygrométrie

Fibres végétales

Mots clés libres

Spectroscopique infrarouge

Résumé

Déjà largement exploitées dans le domaine textile, les fibres végétales représentent une bonne alternative aux fibres de verre pour le renforcement de matrices polymériques. Ainsi, à l’heure du « développement durable », elles attirent l’attention des industriels du composite. Il s’agit d’une ressource naturelle et renouvelable possédant de très bonnes propriétés mécaniques spécifiques. Cependant, le comportement fortement hydrophile de ce type de fibres peut conduire, en milieu humide, à une baisse des performances du composite dans lequel elles jouent le rôle de renfort. La compréhension des mécanismes d’absorption d’humidité dans ces matériaux est donc un enjeu important en vue d’une utilisation maîtrisée. Ainsi, les travaux de recherche présentés dans ce mémoire de thèse sont consacrés à l’étude du comportement diffusif et hygro-mécanique de plusieurs fibres végétales (chanvre, jute, lin et sisal). Après une campagne de caractérisation, leur comportement sous différents environnements humides a été analysé. L’application de modèles prédictifs, en parallèle de nos résultats expérimentaux a conduit à la détermination des paramètres de diffusion propres à chacune des fibres. Un travail similaire a été réalisé sur des échantillons de composites jute/époxy. En complément, l’utilisation d’une technique de spectroscopie infrarouge a permis d’aborder le phénomène de diffusion dans les fibres, à l’échelle moléculaire, mettant en avant les fonctions chimiques impactées par l’humidité. De plus, le développement d’un dispositif expérimental pour mener des essais de fluage sous cyclages hygroscopiques a conduit à la mise en évidence d’un couplage hygro-mécanique.

Natural fibres are perceived as good substitutes to glass fibres due to their wide availability, low cost, low density, high-specific mechanical properties and eco-friendly image. They are increasingly being employed as reinforcements in polymer matrix composites. However, in humid conditions, strong hydrophilic behaviour of such reinforcing fibres can lead to the poor mechanical performance of the composite part. Understanding of the moisture absorption mechanisms in these materials is an important issue for their efficient use. The research presented in this thesis is devoted to the study of diffusive and hydro-mechanical behaviour of several plant fibres (hemp, jute, flax and sisal). After the characterization, behaviour of these fibres under different humidity conditions was analysed. Application of predictive models along with experimental results led to the determination of the diffusion parameters specific to each fibre. Similar work was carried out on the samples of jute/epoxy composite. In addition, the use of infrared spectroscopy technique has helped to address the phenomenon of diffusion in the fibres at the molecular level, highlighting the chemical structure affected by moisture. Moreover, creep tests conducted on composite under hygroscopic cycling, using the newly developed experimental setup, led to prove the existence of hydro-mechanical coupling.