Caractérisation multi-échelle de composites de lin biodégradables par le biais d’études structurelles, mécaniques et de vieillissement

Multiscale characterisation of biodegradable flax composites through structural, mechanical and ageing investigations

• Auteur / Autrice : Delphin Pantaloni
• Direction : Alain Bourmaud, Christophe Baley, Darshil U Shah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme - Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Jury : Président / Présidente : Pierre Ouagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Johnny Beaugrand, Nina Graupner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Davies, Patrick Perré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Lin

Biodégradation

Propriétés mécaniques

Composites à fibres

Mots clés libres

Fibres de lin

Biocomposites

Microstructures

Vieillissement

Flax fibres

Ageing

Mechanical properties

Résumé

La production des matériaux et la gestion des déchets sont une cause importante de nos défis environnementaux. Les fibres de lin sont des ressources biodégradables et renouvelables tout en présentant une propriétés mécaniques spécifiques, idéales pour le renforcement des composites. En outre, la transition vers des thermoplastiques biodégradables comme matrice pour les composites renforcés lin conduit à des matériaux entièrement biodégradables. Ce travail vise à étudier la faisabilité des composites thermoplastiques biodégradables à fibres de lin. Les polymères poly-(lactide) (PLA), poly-(butylène- succinate) (PBS) et un poly-(hydroxy alkanoate) (PHA), renforcés par des préformes en lin, sont étudiés dans cette thèse. Le potentiel mécanique de ces composites biodégradables est étudié à travers une approche multi-échelle, de l'adhérence aux propriétés mécaniques du composite. L'influence de la mésostructure des plis sur leurs propriétés mécaniques est ensuite analysée, en particulier la teneur en porosité́, l'orientation des fibres et la présence d'anas. Enfin, en se concentrant sur l'évolution dans le temps de leur mésostructure et de leurs propriétés mécaniques, le vieillissement des composites biodégradables dans des environnements sévères est abordé : six semaines dans différentes conditions hygroscopiques et enfouis six mois dans du compost de jardin. L’ambitieux paradoxe de tels composites est en effet de conserver de bonnes propriétés mécaniques, pendant leur phase d’usage et jusqu'à leur biodégradation. Ce travail contribue à l'étude des composites biodégradables en mettant en évidence à différentes échelles leur potentiel mécanique et leurs mécanismes de degradation.

The production and disposal of materials is an important source of our environmental challenges. Flax fibres are interesting reinforcements for polymer composites, as they are biodegradable, renewably-sourced, and retain low density with good mechanical properties. Furthermore, transitioning to biodegradable thermoplastics as matrices for flax composites will lead to fully- biodegradable composites. This work aims to investigate the feasibility of biodegradable flax thermoplastic composites. Poly-(lactide) (PLA), poly- (butylene-succinate) (PBS) and poly-(hydroxy alkanoate) (PHA) polymers are considered in this thesis, binding a range of flax fibre preforms. The mechanical potential of these biodegradable composites is investigated through a multi-scale approach, from fibre-matrix adherence to composite mechanical properties. The influence of the ply mesostructure on composite mechanical properties is investigated, particularly porosity content, fibre orientation, and the presence of shives. Finally, the ageing of biodegradable composite is tackled, focussing on the evolution their mesostructure and mechanical properties over time in harsh environments: six weeks under hygroscopic conditions and six months buried in a garden compost. The challenging paradox that needs to be addressed is to maintain good mechanical properties over time during service, until their biodegradation upon disposal. This work contributes to the study of biodegradable composites by highlighting their mechanical potential and degradation mechanisms at several scales.