Les matériaux composites agrosourcés, un savoir-faire des Mines

Les matériaux de demain ne devront pas seulement être performants. Il leur faudra aussi être plus respectueux de l’environnement : mieux recyclables, basés sur des ressources renouvelables. Pour ces raisons, les matériaux composites à base de fibres végétales sont regardés de très près par les scientifiques et les industriels. Ils constituent ainsi un axe de recherche fort des écoles de l’Institut Mines-Télécom (IMT) — en particulier à Mines Alès et Mines Douai — présenté le 30 mars dernier lors du colloque « Matériaux : réalités et nouvelles frontières ».

Patricia Krawczak en est persuadée : les matériaux composites élaborés à partir de fibres végétales peuvent aujourd’hui concurrencer ceux en fibre de verre pour certaines structures. Cette chercheuse de Mines Douai, qui a animé la session « Opportunités et limites des écomatériaux » lors du colloque Matériaux de l’IMT fin mars, travaille depuis une dizaine d’années sur cette thématique. Elle a vu l’émergence et l’évolution des composites agrosourcés : « Au début, il ne s’agissait que de plastique renforcé avec des fibres naturelles (lin, chanvre, voire cellulose ou bois), coupées courtes. Cela conduisait à des matériaux de faible performance mécanique » raconte-t-elle. Ce n’est qu’au cours de ces dernières années que la filière industrielle s’est structurée pour aboutir à des solutions permettant de fabriquer des pièces de haute performance, avec une rigidité, une résistance et une durabilité comparables à celles en fibre de verre — les plus utilisées actuellement. « À présent, les composites agrosourcés ne concernent plus seulement les éléments d’habillage ; ils peuvent aussi être employés pour l’élaboration de pièces semi-structurelles » assure Patricia Krawczak. C’est le cas dans les secteurs des transports (automobile, aéronautique, ferroviaire, naval…) ou du bâtiment.

Parmi les végétaux expérimentés pour ces nouveaux usages, le lin et le chanvre se démarquent, et notamment en France. Ils possèdent en effet l’avantage d’être abondants sur notre territoire. Comme Patricia Krawczak le rappelle, « l’émergence des matériaux agrosourcés s’ancre dans une démarche de développement durable ». Derrière l’utilisation de fibres végétales, un recyclage des composites potentiellement facilité. La présence de cultures locales permet donc un approvisionnement et un transport à faible bilan carbone qui n’entrent pas en contradiction avec ce principe de limitation de l’impact environnement. Outre leur abondance, ces plantes présentent également des intérêts d’un point de vue scientifique et technique. De nombreux travaux sont donc menés pour améliorer la compréhension et la maîtrise des matériaux composites qui en découlent.

La France est le premier producteur mondial de lin textile. Crédits : BERTFR.

Maîtriser les performances des composites agrosourcés

A Mines Alès, l’équipe d’Anne Bergeret cherche ainsi à identifier les paramètres influençant les propriétés d’usage des composites à base de fibres végétales, comme les propriétés mécaniques, de stabilité thermique ou de durabilité. L’état de dispersion des fibres végétales au sein de la matrice polymère s’avère être un paramètre clé. Il dépend de caractéristiques intrinsèques des fibres telles que leur composition chimique, leur chimie de surface ou leur structure, et des conditions de mise en œuvre. Un autre paramètre déterminant est la qualité de l’interface entre la fibre végétale et la matrice polymère. Les recherches menées à Mines Alès ont montré que certains traitements des fibres végétales, même s’ils sont communément utilisés comme le traitement à la soude, ne sont pas sans impact sur la structure des fibres et donc ses propriétés et son état de dispersion dans la matrice. Face à ce paradoxe, Anne Bergeret rappelle « la nécessité d’une bonne maîtrise des conditions de traitement des fibres et de mise en œuvre des composites agrosourcés ».

Un constat partagé par Patricia Krawczak, dont les travaux à Mines Douai sont aussi soumis à un compromis : celui entre allégement et performance. « Si une pièce doit répondre à un cahier des charges fonctionnel particulier, une demande précise, alléger au détriment de la résistance et de la rigidité n’est pas une solution. Nous raisonnons donc toujours en termes de propriétés spécifiques, c’est-à-dire de ratio performance/densité » explique-t-elle. C’est en partie pour cette raison que les fibres végétales peuvent concurrencer la fibre de verre sur certains usages, mais ne mettront probablement pas la fibre de carbone en danger, dont le rapport entre propriété mécanique et densité est indiscutable.

Intégrer les spécificités des fibres naturelles aux outils de simulation numérique

Aussi performantes que soient les fibres végétales, à l’instar du lin, elles n’ont pas vocation à remplacer toutes les fibres classiques dans tous les cahiers des charges. Penser le contraire ne tiendrait pas compte de leurs caractéristiques intrinsèques. Les végétaux présentent par nature un caractère variable, lié aux conditions de croissance (saisonnalité, climat, lieu de production …). Ils sont aussi poreux, et leurs fibres sont donc sensibles à l’humidité. Elles sont également peu tolérantes aux températures élevées, et il sera donc délicat de les associer à des matrices polymères demandant d’être chauffées très fortement pour être mises en forme. Mais les composites agrosourcés peuvent déjà tout à fait trouver leur place dans des usages en conditions plus tolérantes, où la sensibilité à l’humidité n’est pas nécessairement un problème, ou en association avec des matrices polymères se transformant à températures plus basses. En outre des recherches sont en cours pour corriger ces aspects pénalisants. Il est question de rendre les renforts naturels hydrophobes, ou d’adapter les procédés de plasturgie permettant de fabriquer les pièces en composites de manière à les exposer à des conditions plus douces.

« Nous ne pourrons pas pallier la porosité des fibres, et difficilement le caractère variable propre à leur origine naturelle souligne Patricia Krawczak. En revanche, nous pouvons faire en sorte de prendre en compte ces spécificités dans les modèles et outils de simulation pour que le comportement des composites agrosourcés soit bien maîtrisé par les concepteurs, transformateurs et utilisateurs de pièces industrielles ». Le développement de la chaîne d’ingénierie virtuelle autour de ces matériaux est en effet en plein essor. Il en va de la croissance même de ces composites agrosourcés sur les marchés. « Les industriels de différents secteurs applicatifs sont ouverts à leur emploi, mais ils ne le feront que si les outils de simulation utilisés dans leurs bureaux d’étude sont adaptés. » confie la chercheuse, dont l’équipe travaille également sur ces aspects.

Transformer les faiblesses des fibres végétales en avantages

Si du côté de Douai les scientifiques portent leur attention sur la modélisation pour mieux comprendre et maîtriser les limites des fibres végétales, l’équipe d’Anne Bergeret à Mines Alès tente de mettre ces barrières à profit. Les plantes ont une faible stabilité thermique (décomposition à partir de 250°C) ce qui les rend relativement inflammable. En revanche, elles présentent la particularité de former, après décomposition, un résidu carboné stable. La combustion de composites à base de lin produit donc en surface ce résidu, qui a pour propriété de protéger le matériau sous-jacent et de ralentir sa dégradation. L’équipe d’Anne Bergeret a donc cherché à promouvoir son apparition de résidu charbonné par greffage de retardateurs de flammes phosphorés en surface des fibres. Les résultats ont montré une amélioration de la réaction au feu, et devraient de fait montrer une meilleure résilience du composite, dont la structure est moins endommagée.

Qu’il s’agisse d’appréhender les limites des composites agrosourcés ou d’en jouer, les chercheurs sont en tout cas mobilisés pour valoriser la biomasse et en faire émerger de nouveaux matériaux utiles à des secteurs industriels demandeurs d’innovation — comme l’aéronautique, mais aussi l’électronique ou le matériel médical. Avec eux, les filières se structurent, notamment grâce à des projets comme Fiabilin (PIA-PSPC) et Sinfoni (PIA-PSPC) auxquels participe Mines Douai, ou Enafilia (ADEME) et Hermes (H2020) impliquant Mines Alès, intégrant des producteurs de lin et de chanvre aux côtés de scientifiques pluridisciplinaires, d’industriels plasturgistes et d’utilisateurs finaux. Plus qu’un bon espoir pour l’émergence de ces matériaux, il s’agit d’une nécessité. Car comme le déclare Anne Bergeret : « Nous nous rendons compte dans toutes nos études qu’il faut avoir une approche intégrée interdisciplinaire, et associer les compétences des spécialistes des matériaux que nous sommes à celles d’agriculteurs, de biologistes et de chimistes pour une compréhension globale et une valorisation optimale de la biomasse. »

À lire également sur le blog : Quèsaco un matériau composite ?

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Rappel : Qu’est ce qu’un matériau composite ?

À l’image du torchis composé de paille et de terre, un matériau composite est élaboré à partir d’un renfort en fibres et d’un liant appelé matrice. Les fibres de verre et de carbone sont les plus utilisées actuellement, mais elles sont concurrencées par les fibres végétales, qui facilitent le recyclage et diminuent l’impact environnemental du matériau.

La matrice d’un composite est généralement en polymère, soit thermoplastique, soit thermodurcissable. Thermoplastique, elle est alors chauffée pour être liquéfiée et associée aux fibres, puis refroidie pour former le matériau solide final. Thermodurcissable, elle est originellement liquide et imprègne facilement les renforts fibreux, mais doit être ensuite chauffée pour durcir et former le matériau composite final. Les matrices polymères sont aussi appelées matrices organiques, mais ne sont pas les seules existantes. Il existe également des matrices céramiques ou métalliques.

Par l’association judicieuse des fibres et de la matrice, les matériaux composites offrent des caractéristiques mécaniques atypiques, que peu d’autres matériaux proposent. C’est le cahier des charges, dictant les propriétés finales voulues en fonction de l’usage de la pièce, qui conditionne généralement le choix des fibres (nature, taux, orientations, coupées/continues/tissées/tressées …) et de la matrice.

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