Characterization of the physical and mechanical behaviors of biocomposites made of green high density polyethylene matrix reinforced by bamboo fibers : Influence of physical and chemical treatment of the fibers on the local and global properties

Caractérisation des comportements physique et mécanique de biocomposites composés d'une matrice de polyéthylène végétale haute densité renforcée par des fibres de bambou : Influence des traitements physiques et chimiques des fibres sur les propriétés locales et globales des composites

• Auteur / Autrice : Milene Muniz eloy da costa
• Direction : Nicolas Schmitt, Enio Pontes de Deus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 22/11/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Universidade federal do Ceará
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Secteur Mécanique et Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Saclay (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay / LMPS
• Jury : Président / Présidente : Ahmed Benallal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Schmitt, Sandro Campos Amico, José Roberto Moraes d’Almeida, Pierre Lamary
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandro Campos Amico, José Roberto Moraes d’Almeida

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites polymères

Polyéthylène

Bambous

Mots clés libres

Fibres de bambou

Polyéthylène vert

Composites polymères

Adhésion fibre/matrice

Bamboo fibers

Green polyethylene

Polymeric composites

Fiber/matrix adhesion

Résumé

La préoccupation environnementale liée à l’utilisation non réglementée de ressources non renouvelables, ainsi que l’élimination inadéquate des déchets dans l’environnement, encouragent la mise au point de mesures de sensibilisation et de solutions de remplacement technologiques. Face à ce problème, il est nécessaire de fabriquer des produits moins agressifs pour l’environnement, que ce soit en fonction de leur matière première, d’une ressource renouvelable ou en fonction de leur utilisation. Ainsi, l’utilisation de fibres naturelles appliquées comme renfort dans les matrices polymères se présente comme un atout dans l’environnement scientifique. Dans ce contexte, la proposition de thèse était d’évaluer et d’intensifier l’adhérence entre les fibres de bambou et la matrice de polyéthylène verte, afin de produire des composites polymères offrant une bonne résistance mécanique à appliquer dans les finitions de carénage et de voiture. Outre le souci d’utiliser un renfort à haute résistance mécanique et à la source naturelle, le projet propose également l’utilisation d’une matrice polymère produite à partir d’une source végétale renouvelable, la canne à sucre, qui, en somme, favorise la capture et fixation du CO2. Les propriétés physico-chimiques, morphologiques et mécaniques des fibres de bambou ont été évaluées afin d’analyser l’effet des traitements de surface appliqués. Les paramètres physico-chimiques présentaient une diminution de la masse de fibres après les traitements, ainsi que des variations de densité, de porosité et de taille des pores. L’évaluation morphologique a montré une augmentation de la rugosité de la surface des fibres, indiquant un bon ancrage mécanique par la matrice polymère. Les résultats de l’efficacité mécanique des fibres ont montré une augmentation considérable de la tension maximale supportée et du module d’élasticité. La caractérisation des composites a montré que les traitements étaient efficaces pour une bonne adhésion entre fibre et matrice polymère, indiquant que les meilleurs traitements étaient la mercerisation et l’acétylation, et que la meilleure conformation était l’utilisation de fibres longues unidirectionnelles (sens de la demande mécanique) et en continu. Les résultats ont été efficaces pour son application.

The environmental concern with the unregulated use of non-renewable resources, as well as the inadequate disposal of waste in the environment, encourage the development of awareness measures and technological alternatives. Faced with this problem, there is a need to manufacture products that are less aggressive to the environment, either according to their raw material, from a renewable resource, or according to their post-utilization. Thus, the use of natural fibers applied as reinforcement in polymeric matrices presents itself as a highlight in the scientific environment. In this context, the proposal of this thesis was to evaluate and intensify the adhesion between bamboo fibers and green polyethylene matrix, in order to produce polymeric composites with good mechanical resistance to be applied in fairing and internal car finishes. In addition to the concern of using a reinforcement with high mechanical strength and natural source, this work also proposes the use of a polymeric matrix produced from a renewable plant source, sugarcane, which, in sum, promotes the capture and fixation of CO2. Physical-chemical, morphological and mechanical properties of the bamboo fibers were evaluated to analyze the effect of applied surface treatments. The physico-chemical parameters presented a decrease in fiber mass after treatments, as well as variations in density, porosity and pore size. The morphological evaluation showed an increase of roughness in the fibers surface, indicating a good mechanical anchorage by the polymer matrix. The results of the mechanical efficiency of the fibers showed a considerable increase of the maximum supported tension and the elasticity modulus. The characterization of the composites showed that the treatments were effective for a good adhesion between fiber and polymer matrix, indicating that the best treatments were mercerization and acetylation, and that the best conformation was the use of unidirectional long fibers (direction of the mechanical request) and continuous. The results were effective for its application.