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Article

1 - ENJEUX

2 - PRÉSENTATION DES DIFFÉRENTES FIBRES NATURELLES

3 - FIBRES D'ORIGINE VÉGÉTALE

4 - FIBRES D'ORIGINE ANIMALE

5 - MATÉRIAUX COMPOSITES ET FIBRES NATURELLES

6 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

| Réf : AM5130 v2

Présentation des différentes fibres naturelles
Fibres naturelles de renfort pour matériaux composites

Auteur(s) : Christophe BALEY

Date de publication : 10 janv. 2013

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RÉSUMÉ

Le renforcement des polymères par des fibres naturelles permet de réduire les impacts environnementaux. Parmi les fibres naturelles, les fibres végétales ayant un rôle structurel dans la nature présentent des propriétés mécaniques intéressantes. Elles sont de plus facilement disponibles. Les fibres organiques peuvent être utilisées, mais elles ont des propriétés plus variées. Compte tenu du développement des connaissances, de la disponibilité de nouveaux demi-produits et de l'évolution de la législation en termes de protection de l'environnement, les biocomposites sont amenés à se développer dans de nombreux secteurs d'activités.

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ABSTRACT

Natural fibers for the reinforcement of composite materials

The reinforcement of polymers via natural fibers allows for reducing environmental impacts. Among these natural fibers, plant fibers having a structural function in nature present interesting mechanical properties. Furthermore they are easily available. Organic fibers can be used although they have more varied properties. Due to knowledge development, the availability of new half-products and the evolution of regulations in terms of environment protection, biocomposites are to be developed in a large number of sectors of activity.

Auteur(s)

INTRODUCTION

Un matériau composite se définit comme un arrangement de fibres – continu ou non – d'un matériau résistant, le renfort. Ces fibres sont noyées dans une matrice dont la résistance mécanique est beaucoup plus faible. La matrice leur conserve leur disposition géométrique et leur transmet les sollicitations auxquelles est soumise la pièce. La matrice (le liant) peut appartenir à la famille des polymères, des métaux ou des céramiques.

Dans ce dossier ne sont traitées que les fibres organiques et naturelles et les matériaux composites associés, matériaux utilisant un polymère comme matrice.

Sous le terme « fibres naturelles » se trouvent des fibres organiques, d'origine végétale (cellulosique) et animale (protéinique), et des fibres minérales telles que l'amiante (qui ne sont pas présentées).

L'utilisation de fibres naturelles comme renfort de matériaux composites se justifie pour :

  • valoriser une ressource locale dans des pays peu industrialisés ;

  • développer des matériaux et des technologies permettant de réduire les impacts sur l'environnement.

L'objectif n'est pas de faire un inventaire de toutes les fibres disponibles, mais de présenter les exemples les plus intéressants.

Il existe de nombreuses variétés de fibres naturelles, mais seules certaines présentent des propriétés mécaniques remarquables justifiant leur usage comme renfort de matériaux composites. On note que ces dernières ont un rôle structurel dans la nature. Par exemple, une tige de lin est renforcée par des fibres qui sont des tissus de soutien, elles présentent des performances mécaniques intéressantes compte tenu de leur fonction.

Les propriétés des différentes fibres naturelles organiques sont présentées, mais il faut rappeler que, du fait de leur caractère naturel, leurs performances sont dispersées. Il ne faut donc pas conclure hâtivement de la supériorité ou du manque d'intérêt de telle ou telle variété.

Les fibres végétales sont couramment utilisées car ce sont les fibres les plus disponibles. Leur structure complexe est assimilable à celle de matériaux composites renforcés par des fibrilles de cellulose disposées en hélice. Pour comprendre l'origine de leur comportement, il est nécessaire de connaître leur microstructure, présentée de manière simplifiée.

Les soies animales, bien que peu utilisées, présentent un allongement à la rupture très important. Cette caractéristique illustre l'intérêt qu'elles présentent car, en terme d'absorption d'énergie mécanique, les soies sont inégalées dans le monde des fibres synthétiques et naturelles.

Les technologies de transformation pour réaliser des pièces en matériaux composites avec des fibres naturelles sont identiques à celles utilisées avec des fibres de synthèse, en veillant toutefois à ne pas les dégrader. Une température limite de 200-230 °C est souvent évoquée, mais en réalité les deux paramètres importants sont la température et le temps.

L'utilisation de biocomposites, association d'un polymère biodégradable et de biofibres (fibres biodégradables), présente des avantages en fin de vie. En effet, ceux-ci permettent la réalisation de pièces qui, en fin de vie, peuvent être broyées puis incorporées dans un compost.

L'usage de fibres naturelles comme renfort de matériaux est souvent associé à une démarche d'écoconception, les impacts environnementaux sont évalués à l'aide d'analyse de cycle de vie (ACV).

Il est par ailleurs nécessaire de remettre en cause des idées préconçues sur des sujets tels que, par exemple, le vieillissement des fibres végétales en milieu humide, l'usage de biocomposites en milieu sévère et l'adhérence entre fibres végétales et polymères. Sans nier la complexité de ces domaines d'études, notons qu'il est possible de laver plusieurs fois une chemise en fibres de lin, de réaliser des coques de bateaux en bois et de coller du bois pour réaliser des charpentes en lamellé-collé.

Glossaire

Andain : alignement des tiges de lin dans le champ après l'arrachage pour le rouissage à terre.

Analyse de Cycle de Vie (ACV) : outil de l'écoconception considéré comme global, multicritères qui permet de quantifier les impacts environnementaux d'un produit ou système. Le caractère global signifie que l'ensemble du cycle de vie du produit ou système est pris en compte dans l'analyse, soit du berceau à la tombe. Cet outil est normalisé ISO 14040 et 14044.

Anas : bois situé au centre de la tige de lin. Les anas sont séparés de la tige lors de l'opération de teillage et sont utilisés pour la réalisation de panneau d'aggloméré ou comme litière ou paillage. Dans la tige de chanvre, le bois s'appelle la chenevotte.

Arrachage : première étape de la récolte du lin. Les tiges sont arrachées et déposées sous forme d'andains au sol pour l'étape de rouissage.

Biodégradable : un matériau est biodégradable s'il peut être décomposé par des êtres vivants (décomposeurs naturels), aboutissant à la formation de composés (CO2, H2O, CH4), d'une nouvelle biomasse, et à des composés non biodégradables ni bio-assimilables (mais non écotoxiques). Les fibres végétales et animales sont naturellement biodégradables.

Biocompostable : un matériau est biocompostable s'il est dégradable et assimilable biologiquement dans des conditions de compostage.

Cardage : travailler les fibres textiles afin de les démêler à l"aide de cardes (naturelles ou industrielles). Une carde est brosse garnie de pointes métalliques recourbées.

Cellulose : la cellulose est le principal constituant des parois cellulaires. C"est un polysaccharide de la série des β-D-glucanes dont le motif répétitif est le cellobiose, constitué de deux β-D-glucopyranoses dans leur conformation chaise et liés par une liaison glycosidique. La cellulose, composée de zones amorphes et de zones cristallines, se présente sous la forme de microfibrilles.

Chenevotte : bois situé au centre de la tige de chanvre (comparable aux anas du lin). La chenevotte est utilisée comme litière, paillage et pour la fabrication d'isolant dans le domaine du batîment (mélange de chenotte avec de la chaux).

Cortical : relatif à l"écorce.

Cuticule : (botanique) pellicule fine recouvrant les feuilles et les tiges de plantes.

Ecapsulage: le passage de l'écapsuleuse permet de récolter les graines qui serviront pour les futurs semis.

Écoconception : l'écoconception se définit comme une démarche d'innovation qui intègre le facteur environnemental dès la conception des produits afin d'en diminuer les impacts environnementaux. La notion de produit est à prendre au sens large : il s'agit d'un bien ou d'un service. À l'inverse d'une démarche curative, l'écoconception se veut absolument préventive et s'apparente à une démarche d'amélioration continue.

Écosystème : en écologie, un écosystème désigne l'ensemble formé par une association ou une communauté d'êtres vivants (ou biocénose) et son environnement géologique, édaphique, hydrologique, climatique, etc. (le biotope). Les éléments d'un écosystème développent un réseau d'échange d'énergies et de matières permettant le maintien et le développement de la vie. Dans un écosystème naturel, le soleil apporte l'énergie par le soleil (le système est ouvert) et celui-ci ne produit pas de déchets. Il est intéressant de se rappeler que rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme.

Écologie industrielle : l'écologie industrielle appréhende les activités industrielles comme des écosystèmes particuliers, caractérisés par des flux de matière, d'énergie et d'information. En s'inspirant des connaissances sur le fonctionnement des écosystèmes, l'écologie industrielle vise à réorganiser le système industriel pour le faire évoluer vers un fonctionnement compatible avec la biosphère et viable à long terme. C'est donc une étape dans la démarche vers le développement durable. L'écologie industrielle se construit sur l'étude des flux et des stocks de matières, d'énergie et d'informations au sein d'un système clairement délimité (zone industrielle, bassin versant ...).

Étoupes : les opérations de teillage et de peignage permettent l'extraction des fibres des tiges. Les fibres sont classées suivant la présentation des faisceaux en « fibres longues » et « fibres courtes » (les étoupes). Il s'agit des mêmes fibres évidemment. Les étoupes entrent dans la fabrication de tissus techniques, de matériaux composites, de cordes et de papier.

Filasse : fibres longues (assemblage de fibres sur la hauteur de la plante) de lin après teillage, également appelées long brin.

Hémicelluloses : classe de polymères très variés (de nombreux monomères et de nombreux branchements différents). La classe la mieux étudiée correspond aux xyloglucanes. Ils sont constitués d"une chaîne de glucose (bêta 1-4) et de courtes chaînes latérales de xylose, galactose et fucose.

Liber : tissu qui existe entre l"écorce et le bois, par lequel circule la sève.

Lignine : la lignine (ou plutôt les lignines) est une macromolécule complexe, non linéaire, constitué d"un système aromatique et phénolique, composé majoritairement d"unités phényl-propanes

Lumen : certaines fibres végétales sont creuses, le lumen est la cavité centrale

Parenchyme : tissu cellulaire spongieux et mou de certaines parties des plantes (feuille, jeune tige, fruit, écorce ou racine)

Pectines : elles sont constituées d"une chaîne principale et de chaînes secondaires branchées. Les monomères sont variés ainsi que les types de branchements. La chaîne principale est constituée d"acide galacturonique. Elle constitue un acide polygalacturonique.

Peignage : opération que l"on fait subir aux fibres textiles, en utilisant un peigne, pour en éliminer complètement les impuretés, les faisceaux de fibres les plus courts (étoupes de peignage), pour les individualiser et les paralléliser. Après peignage les fibres se présentent sous forme de ruban utilisable par les filateurs.

Retournement : dans le cas d'un rouissage au sol, il est nécessaire de retourner le lin afin d"obtenir un rouissage homogène.

Rouissage : décomposition des pectines assurant le collage des fibres entre elles (au sein du faisceau) et avec le reste de la tige. Le rouissage est généralement réalisé au sol mais d'autres techniques existent tels que le rouissage à l'eau (interdit en milieu naturel pour des problèmes de pollution), le rouissage enzymatique ou le rouissage chimique.

Teillage : après rouissage et séchage les fibres sont teillées. Cette opération (battage mécanique ou manuel) permet de séparer les fibres tiges de chanvre ou de lin du bois, afin d"obtenir de la filasse.

Tissu de soutien : fibre élémentaire

Titrage : la filature du lin donne lieu à une palette de fils référencés en numéros métriques (Nm est le nombre de kilomètres fait avec 1 kg de fil). Plus le chiffre est élevé, plus le fil est fin (ex : Nm 6 = 6 000 m au kilo pour les tissus d'ameublement ; Nm 39 = 39 000 m au kilo pour les tissus légers d'habillement).

Tex : unité de titrage utilisée pour les fils textiles et correspondant au poids en grammes de 1 000 m de fil.

Xyleme : ensemble des tissus ligneux des végétaux

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VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-am5130


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2. Présentation des différentes fibres naturelles

2.1 Classification

On peut subdiviser les fibres naturelles en trois grands groupes selon leur origine (figure 1) :

  • les fibres végétales qui comprennent

    • des fibres provenant des poils séminaux de graines (coton, kapok),

    • les fibres libériennes extraites de tiges de plantes (lin, chanvre, jute, ortie),

    • les fibres extraites de feuilles (sisal), de troncs (palmier), d'enveloppes de fruits (noix de coco) ;

  • les fibres animales qui proviennent des poils, telles que la toison animale, et des sécrétions telles que la soie ;

  • les fibres minérales telles que l'amiante évoquées pour mémoire, mais pas présentée ici.

Pour une application de renforcement de polymère, on s'intéresse aux fibres ayant une fonction structurelle dans la nature. La laine, par exemple, possède une fonction d'isolation thermique et ne présente pas de propriétés mécaniques remarquables. Les fibres végétales provenant des tiges, des feuilles et des fruits, ainsi que les sécrétions animales, présentent des propriétés mécaniques les plus intéressantes.

Pour illustrer le rôle de renforcement des fibres dans une tige, la figure 2 présente une section d'une tige de lin. On note que les fibres sont assemblées en paquets et situées à l'extérieur de la tige. Les fibres sont des tissus de soutien de longueur modeste (entre 10 et 80 mm environ) et de faible diamètre (10 à 30 mm). Une tige présente donc une structure de matériau composite ; sa structure lui permet de résister aux efforts de flexion et de torsion. Les fibres sont régulièrement distribuées sur la périphérie et leur assemblage en paquets améliore leur tenue en compression en limitant le risque de microflambage. En effet, quand une tige fléchit, une partie de la section travaille en traction et une autre en compression. Dans la tige, les fibres adhèrent fortement entre elles et avec le reste de la plante (les liaisons sont principalement assurées par des pectines dans le cas du lin). Pour les extraire, il est nécessaire d'endommager les lamelles mitoyennes assurant les liaisons: c'est l'étape du rouissage qui est complétée par différents traitements. Dans un matériau composite il est logique d'individualiser les fibres (figure 3) et non de conserver des paquets (figure ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BOURMAUD (A.), BALEY (C.) -   Investigations on the recycling of hemp and sisal fibres reinforced polypropylene composites  -  Polymer Degradation and Stability 92 (2007) pp. 1034-1045.

  • (2) - BODROS (E.), PILLIN (I.), MONTRELAY (N.), BALEY (C.) -   Could biopolymers reinforced by randomly scattered flax fibre be used in structural applications?  -  Composites Science and Technology, 67, 3-4 (2007) pp.462-470.

  • (3) - LE DUIGOU (A.), PILLIN (I.), BOURMAUD (A.), DAVIES (P.), BALEY (C.) -   Effect of recycling on mechanical behaviour of bio-compostable flax/poly(L-lactide) composites.  -  Composites Part A, 39, 9 (2008) pp. 1471-1478.

  • (4) - Produits renouvelables : vers un nouvel age d'or du végétal -   Agrice –  -  Ademe Communication Agrice (Agriculture pour la chimie et l'énergie) du 15 janvier 2002.

  • (5) - Étude de marché des nouvelles utilisations des fibres végétales -   Ernst and Young pour l'Ademe.  -  Décembre 2005 – 38 p. Disponible en ligne sur le site de l'Ademe

  • ...

NORMES

  • Fibres de renfort – fibres de lin pour composites plastiques – Partie 1 : terminologie et caractérisation des fibres de lin. - XP T 25-501-1 - Juillet 2010

  • Fibres de renfort – fibres de lin pour composites plastiques – Partie 2 : détermination des propriétés en traction de fibres élémentaires. - XP T 25-501-2 - Juillet 2010

  • Fibres de renfort – fibres de lin pour composites plastiques – Partie 3 : détermination des propriétés en traction des fibres techniques (faisceaux de fibres). - XP T 25-501-3 - Juillet 2010

1 Sites Internet

Université Pierre et Marie Curie

Biologie et multimédia. Voir entre autre partie biologie végétale / les textiles d'origine végétale http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/index.htm

Étude des caractéristiques environnementales du chanvre par l'analyse de son cycle de vie

(Analyse du cycle de vie de : 1. compounds thermoplastiques chargés fibres de chanvre, 2. mur en béton chanvre banché sur ossature en bois). Cette étude ACV a été menée par l"INRA.

Ministère de l'agriculture et de la pêche. 2006. 102 pages

http://agriculture.gouv.fr/IMG/pdf/chanvre_rapport_final_d235d.pdf

Analyse de Cycle de Vie comparée d'une chemise en lin et d'une chemise en coton

Rapport final post revue critique

Bio intelligence service. Décembre 2007 117 pages.

http://www.mastersoflinen.com

FAO / 2009 « Année internationale des fibres naturelles

http://www.fao.org/economic/futurefibres/accueil-des-fibres-du-futur/fr/

HAUT DE PAGE

2 Annuaire

Organisations professionnelles

CELC / Confédération Européenne du Lin et du Chanvre

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