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1 - ENJEUX

2 - CLASSIFICATION DES DIFFÉRENTES FIBRES NATURELLES

3 - FIBRES D’ORIGINE VÉGÉTALE

4 - FIBRES D’ORIGINE ANIMALE

5 - MATÉRIAUX COMPOSITES ET FIBRES VÉGÉTALES

6 - LES PLANTES, DES STRUCTURES COMPOSITES OPTIMISÉES

  • 6.1 - La plante de lin, exemple d’une structure naturelle remarquable
  • 6.2 - S’inspirer des plantes pour concevoir des structures composites

7 - CONCLUSION

8 - ANNEXE : PRODUCTION DE FIBRES VÉGÉTALES

9 - GLOSSAIRE

10 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : AM5130 v3

Annexe : production de fibres végétales
Fibres naturelles de renfort pour matériaux composites

Auteur(s) : Christophe BALEY

Date de publication : 10 juil. 2020

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RÉSUMÉ

Les industriels s’intéressent de plus en plus au renforcement des polymères par des fibres naturelles pour, généralement, réduire les impacts environnementaux. La sélection de ce type de renfort n’est pas simple, ce terme correspondant à des fibres d’origine végétale, animale ou minérale. Après un classement, cet article aborde les deux premières familles en présentant les ressources disponibles, leurs propriétés et spécificités puis leur usage comme renfort de matériaux composites.

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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)

  • Christophe BALEY : Professeur des universités - Université de Bretagne Sud, Lorient, France

INTRODUCTION

Un matériau composite se définit généralement par l’assemblage de deux phases : le renfort (sous forme de fibres le plus souvent) et la matrice. Cette dernière conserve la disposition géométrique des fibres et assure, par les interfaces, le transfert de charge entre elles. La matrice (le liant en d’autres termes) peut appartenir à la famille des polymères, des métaux ou des céramiques. Sous les mots « fibres naturelles » se trouvent des fibres organiques, d’origine végétale (cellulosique) et animale (protéinique), et des fibres minérales telles que l’amiante (qui ne seront pas présentées dans cet article).

Dans cet article ne sont donc abordés que les fibres organiques et renouvelables, et les matériaux composites associés, matériaux utilisant un polymère comme matrice.

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 ;

  • utiliser des ressources renouvelables.

L’objectif de cet article n’est pas de faire un inventaire de toutes les fibres disponibles, mais de présenter des exemples intéressants, d’illustrer leurs capacités de renforcement et de prendre du recul par rapport à leurs usages. 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 placées à l’extérieur qui sont des tissus de soutien ; elles présentent des performances mécaniques intéressantes compte tenu de leur fonction et du fort élancement de ces plantes.

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 et leur composition. Ces sujets seront présentés par la suite de manière simplifiée. La notion de fibres dans une plante a un sens botanique, qui décrit une seule cellule végétale allongée et à paroi épaisse, il existe donc différentes natures de cellules. Les fibres végétales décrites dans cet article correspondent à celles utilisées depuis longtemps pour des applications textiles ou pour la réalisation de cordages, elles ont une fonction dans la nature généralement de soutien et rarement de conduction.

Les soies animales, bien que peu utilisées industriellement dans le domaine des composites, présentent un allongement à rupture très important et une grande capacité d’absorption d’énergie mécanique par rapport aux fibres de synthèse.

Les technologies de transformation utilisables pour la réalisation de pièces en biocomposites (polymère + fibres naturelles) sont identiques à celles utilisées pour des fibres de synthèse. Comme tous les renforts, il est important de les manipuler et de les mettre en forme suivant les règles de l’art pour ne pas les endommager ou les casser. Lors du cycle de transformation, une température limite de 200-230 °C est souvent évoquée pour éviter leur dégradation, mais en réalité deux paramètres sont importants : la température et le temps d’exposition.

L’utilisation de biocomposites associant un polymère biodégradable (biosourcé ou non) et des biofibres (fibres biodégradables) permet la réalisation de pièces qui, en fin de vie, peuvent être broyées puis incorporées dans un compost industriel.

L’usage de fibres naturelles comme renfort de matériaux est souvent associé à une démarche d’écoconception, néanmoins les impacts environnementaux restent à évaluer à l’aide d’analyse de cycle de vie (ACV) pour quantifier les gains. Pour plus d’information sur ce type de démarche le lecteur pourra consulter l’article [G 5 500].

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, nous soulignerons qu’il est possible de laver plusieurs fois une chemise en fibres végétales, de réaliser des coques de bateaux en bois et des charpentes en lamellé-collé.

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KEYWORDS

natural fibres   |   plant fibres   |   polymer reinforcement   |   hemp   |   flax

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-am5130

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8. Annexe : production de fibres végétales

Le tableau 12 présente les surfaces récoltées des principales plantes à fibres (hors coton) pour les années 2015 à 2017 ainsi que la répartition des zones de production pour l'année 2017. Les plantes sont classées en fonction des surfaces. Il s'agit de données statistiques de la FAO (Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture) consultables sur leur site dédié (voir Pour en savoir plus).

La lecture de ce tableau 12 appelle quelques commentaires :

  • pour les trois années présentées, les surfaces récoltées dans le monde sont stables, sauf pour le sisal ;

  • en Europe, les principales fibres végétales cultivées sont le lin et le chanvre ;

  • pour le lin et le chanvre, les surfaces présentées correspondent à des cultures dédiées pour les matériaux (le lin oléagineux n'est pas pris en compte ni le chanvre pharmaceutique) ;

  • pour connaître la production de fibres, il est nécessaire de disposer des rendements, valeurs qui changent beaucoup suivant, entre autres, les zones géographiques, la variété cultivée et les pratiques agricoles ;

  • en 2017, les surfaces cultivées de trois pays (France, Belgique et Pays-Bas) représentaient 117 133 hectares de lin, dont 98 263 hectares en France (84 %). La production de filasses (appelés « fibres longues ») a été de 146 000 tonnes (environ 1,25 tonnes en moyenne à l'hectare) auquel il faut rajouter les étoupes. Pour l'année 2017, en moyenne 6 tonnes de paille de lin ont été récoltées par hectare (après rouissage). Généralement, la fraction de fibres (filasse et étoupes) représente 37 % de la masse des pailles, les anas (« bois ») 50 % les graines 5 % et les poussières et déchets divers 8 % (Bert 2013) ;

  • pour comparaison avec le « lin textile », en 2017 la culture du chanvre représentait en France 17 358 hectares (donnée Agreste) ;

  • en France, la surface agricole utile (SAU) représente 27 739 milliers d'hectares (donnée INSEE – année 2013). La culture du lin textile et du chanvre représente 115 621 hectares (2017) soit environ 0,4 % de la SAU. Cette information est utile si l'on s'interroge sur la compétition...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LE DUIGOU (A.), DAVIES (P.), BALEY (C.) -   Environmental impact analysis of the production of flax fibres to be used as composite material reinforcement.  -  J Biobased Mater Bioenergy ; 5 : p. 153-65 [doi :10.1166/jbmb.2011.1116] (2011).

  • (2) - JOSHI (S.), DRZAL (L.), MOHANTY (A.), ARORA (S.) -   Are natural fiber composites environmentally superior to glass fiber reinforced composites ?  -  Compos Part A Appl Sci Manuf ; 35 : p. 371-6 [doi :10.1016/J.COMPOSITESA.2003.09.016] (2004).

  • (3) - PERVAIZ (M.), SAIN (M.M.) -   Carbon storage potential in natural fiber composites.  -  Resour Conserv Recycl ; 39 : p. 325-40 [doi :https://doi.org/10.1016/S0921-3449(02)00173-8] (2003).

  • (4) - BOURMAUD (A.), BALEY (C.) -   Investigations on the recycling of hemp and sisal fibre reinforced polypropylene composites.  -  Polym Degrad Stab ; 92 : p. 1034-45 [doi :10.1016/j.polymdegradstab.2007.02.018] (2007).

  • (5) - BOURMAUD (A.), BALEY (C.) -   Rigidity analysis of polypropylene/vegetal fibre composites after recycling.  -  Polym...

1 Annuaire

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/textiles/index.html

Organisations professionnelles

CELC

Confédération européenne du lin et du chanvre (le lin et le chanvre Européen)

15 rue du louvre – 75001 Paris – France

33 (0) 1 42 21 02 35

http://news.europeanflax.com/fr/

Construire en chanvre

Organisme indépendant créé en 1998 par les professionnels du bâtiment, persuadés de l’avenir du chanvre dans la construction.

https://www.construire-en-chanvre.fr/missions

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2 Normes et standards

AFNOR NF T 25-501-1 (2015), Fibres de renfort – Fibres de lin pour composites plastiques – Partie 1 : terminologie et caractérisation des fibres de lin.

AFNOR NF T 25-501-3 (2015), Reinforcement fibres – Flax fibres for plastics composites. Part 3. Determination of tensile properties of technical fibres (in French).

AFNOR NF T 25-501-2 (2015), Reinforcement fibres – Flax fibres for plastics composites. Part 2. Determination of tensile...

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