Contribution à l'analyse dimensionnelle et mécanique des fibres végétales en environnement humide contrôlé

Contribution to the dimensional and mechanical analysis of plant fibers in a controlled humid environment

• Auteur / Autrice : William Garat
• Direction : Anne Bergeret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 05/12/2018
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre des Matériaux des Mines d'Alès (Alès ; 2000-2019) - Centre des Matériaux des Mines d'Alès / C2MA
• Jury : Président / Présidente : Pierre Ouagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Bergeret, Moussa Gomina, Pierre-Jacques Liotier, Stéphane Corn, Johnny Beaugrand, Nicolas Le Moigne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Karine Charlet, Christophe Baley

Mots clés

Mots clés libres

Fibres végétales

Stabilité dimensionnelle

Propriétés mécaniques

Conditions hydro/hygrothermiques

Mécanismes de plastification

Natural fibres

Dimensional stability

Mechanical properties

Hydro/hygrothermal conditions

Plasticization mechanisms

Résumé

Actuellement l’industrie montre un intérêt croissant pour le développement de matériaux composites intégrant des constituants issus de la biomasse. Dans ce contexte, différentes fibres lignocellulosiques sont envisageables en tant qu'alternative aux fibres de verre pour le renforcement des matrices thermoplastiques ou thermodurcissables. En effet, les fibres végétales présentent des caractéristiques physiques intéressantes, telles qu’une faible densité et de bonnes propriétés mécaniques spécifiques, associées à un impact environnemental réduit, leur permettant ainsi de répondre à des problématiques sociétales. Cependant, la forte variabilité naturelle des dimensions et des propriétés mécaniques des fibres végétales rend nécessaire le développement de méthodologies de caractérisation spécifiques permettant en particulier de quantifier leur forte sensibilité à l’humidité. La première partie de cette thèse présente la mise en place d'une stratégie de caractérisation des dimensions transversales des fibres végétales s’appuyant sur une technique de balayage laser associée à une modélisation géométrique fiabilisée. Cette méthodologie est validée sur la base d’une étude dimensionnelle de faisceaux de fibres issus de différentes espèces végétales morphologiquement contrastées (lin, chanvre, ortie, sisal, palmier). La modélisation proposée permet de réduire de manière significative la dispersion des propriétés mécaniques des faisceaux de fibres étudiés. Dans une seconde partie, l’effet de l’humidité sur les variations dimensionnelles et le comportement mécanique des fibres végétales est quantifié. Les résultats révèlent des phénomènes de gonflement et de plastification des parois cellulaires différenciés selon la composition biochimique et la microstructure des différentes espèces végétales.

Currently, the industry is showing a growing interest in the development of composite materials incorporating components derived from biomass. In this context, various plant species can be used as reinforcement of thermoplastic and thermoset, in substitution to glass fibres. Indeed, natural fibres have interesting physical characteristics, such as their low density and good specific mechanical properties associated with the fact that they reduce environmental impacts answering to societal problems. However, the high natural variability of their dimensions and mechanical properties make it necessary to develop specific characterization methods particularly to quantify their high humidity sensitivity. The first part of this study presents the development of characterization methodologies of natural fibres transverse dimensions based on an automated laser scanning technique associated with a reliable geometric modeling and validated on plant species with contrasted morphologies (flax, hemp, sisal, nettle, and palm). The proposed modeling makes it possible to drastically reduce the mechanical properties dispersion of the studied fibre bundles. In a second part the effect of humidity conditions on the dimensional variations and the mechanical behavior of natural fibres are quantified. The results revealed contrasted swelling and plasticization behaviour, depending on biochemical composition and microstructure of plant species.