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Les fibres végétales
Les fibres végétales sont principalement composées de cellulose, d’hémicellulose, de lignines et de pectines. Elles sont extraites de la tige, du fruit ou de la feuille d’une plante. Elles sont utilisées surtout pour certaines propriétés inégalées : leur pouvoir d’isolant thermique et leur faible densité [1]. On remarque que seules certaines variétés peuvent donner des propretés mécaniques remarquables justifiant leur usage comme renfort de matériaux composites. Les fibres libériennes ou fibres d’écorces (Lin, Chanvre, Jute, Kénaf, Ramie ) extraites de la tige de la plante présentent en effet les performances les plus intéressantes compte tenu de leur fonction structurelle au sein de la plante [11]. Les fibres de feuilles (Abaca, Ananas, Alfa, Sisal, Phormium . et les fibres de graines et fruits (Coir, Coton, Kapok, ) offrent cependant un apport substantiel dans le renforcement des polymères. Les fibres végétales les plus utilisées depuis 1947 pour le renfort des matrices polymères sont issues du lin ou du chanvre [12].
Description des fibres végétales et leurs compositions
Les fibres naturelles sont principalement des fibres ligno-cellulosiques, naturellement elles se présentent sous forme de faisceaux de fibres unitaires (ou élémentaires). La fibre végétale est une cellule biologique. Elle est composée de cellulose, d’hémicelluloses, de lignines, de pectines, de cires et de substances solubles dans l’eau [13]. Les fibres élémentaires étant liées entre elles par une matrice de pectine et d’hémicellulose, elles forment des faisceaux de fibres qui sont communément appelés « fibres végétales » et constituent l’ossature des végétaux [14].
Dans chaque fibre, la lignine joue le rôle d’une matrice enrobant la cellulose (élément structurant très rigide). Les fibres se présentent alors comme un bio-composite multicouche. La structure basique des chaînes de cellulose appelées micro-fibrilles possède des diamètres de 2 à 20 nm. La composition des fibres naturelles varie selon leur origine botanique, les conditions climatiques, leur maturité et leur mode d’extraction.
Cellulose
La cellulose est le bio-polymère naturel le plus abondant sur terre. Elle est présente dans toutes les plantes. Conjointement à la lignine et aux hémicelluloses elle joue un rôle essentiel dans le maintien de la structure et le soutien des parois cellulaires [16]. La cellulose est l’unité structurelle de base de toutes les fibres et peut être facilement transformée à partir de la fibre brute . La cellulose possède des propriétés attrayantes telles que la légèreté, un rapport résistance/poids élevé [13]. La cellulose est constituée de chaînes linéaires d’unités glucopyranose liées par des liaisons glycosidiques β-(1,4) et a une formule générale de (C6H10O5)n, où n est le nombre d’unités répétées monomères de β-d-glucopyranose variable avec la source de la cellulose [17]. Le degré de polymérisation est de l’ordre de 14000 dans la cellulose native et de 2500 après purification. La cellulose est immunisée contre la dissolution par l’eau et a une structure hiérarchique comprenant des chaînes . Ces chaînes macromoléculaires peuvent être disposées soit régulièrement, dans ce cas on parle de régions cristallines, soit de façon aléatoire, et dans ce cas on parle de régions amorphes . L’accumulation moléculaire à l’intérieur de l’architecture cellulaire procure aussi au matériau d’excellentes propriétés. Les phénomènes d’agrégation se font principalement par le biais de liaisons hydrogène inter et intramoléculaires à l’intérieur des chaînes cellulosiques.
Hémicellulose
Comme la cellulose, l’hémicellulose est constitutive de la paroi des cellules végétales. La structure des hémicelluloses est différente de celle de la cellulose. L’hémicellulose est l’un des composants les plus abondants de la biomasse lignocellulosique après la cellulose et représente environ 15 à 35% de la biomasse lignocellulosique [21]. Soit environ 32 % dans la paille de blé, 32 % dans la paille d’orge et 25 % dans la paille de riz (en poids sec). Elle est constituée de polymères ramifiés hétérogènes de faible poids moléculaire et son degré de polymérisation est d’environ 80 à 425. La chaîne structurelle de l’hémicellulose est constituée de xylane, de xyloglucane et de mannane . Le xylan est le principal composant. L’acétylation du xylane peut empêcher l’infection du microbe ainsi que des insectes dans la paroi cellulaire végétale et est nécessaire pour l’assemblage de la paroi secondaire [22]. Contrairement à la cellulose, les hémicelluloses sont généralement solubles dans l’eau et, en règle générale, représentées par des hétéropolymères constitués de plusieurs monosaccharides et acides organiques différents. Les hémicelluloses montrent de grandes variations dans les espèces végétales, et même dans différents organes de la même plante .
Les Xylanes : Sucres majoritaires de la chaîne principale D-Xyl, ils sont à leur tour divisés en sousgroupes définis par la nature du sucre secondaire, nous distinguons les Arabinoxylanes, les Glucuronoarabinoxylanes et les Glucoxylanes. Ce sont des hémicelluloses majeures de la paroi primaire des monocotylédones, riches en acide férulique.
Les Mannanes et les Glucomannanes : Contenus dans la paroi secondaire, ils représentent le sucre principal de la chaîne principale D-Man, elles se divisent en Glucomananes et Galactoglucomanases.
Les Galactanes : Composés exclusivement de monomère de galactose, ils peuvent être linéaires ou bien ramifiés. Les galactanes sont utilisés dans l’industrie alimentaire comme additif alimentaire pour épaissir ou stabiliser les aliments. L’agar-agar est un galactane contenu dans la paroi cellulaire de certaines espèces d’algues rouges.
Les Glucanes : Abondants dans la paroi primaire des dicotylédones (20 à 30 % des hémicelluloses) et sucres majoritaires de la chaîne principale D-Glc, ils se divisent en 2 sous-groupes, les Xyloglycanes (XylG) et les β-Glucanes (monocotylédones graminées) .
La lignine
Dans la paroi cellulaire végétale, la lignine est associée à la cellulose et à l’hémicellulose . Son pourcentage varie de 10 à 30% dans la biomasse ligno cellulosique. L’industrie du papier et de la pâte à papier à elle seule produit en outre environ 50 millions de tonnes de lignine, mais actuellement la lignine n’est utilisée qu’en grande quantité pour la production de produits de faible valeur tels que la production de vapeur [23]. Il agit généralement comme un composant majeur qui entrave la saccharification enzymatique de la biomasse ligno cellulosique dans le domaine de l’énergie de la biomasse [24]. La lignine est un polymère tridimensionnel avec une structure chimique complexe qui est composé de diverses unités monomères (C9) à chaîne latérale alkyle phénolique-C3 (Cα Cβ Cγ) de manière non linéaire et aléatoire par le biais de liaisons éther et de liaisons carbone-carbone. Les monolignols sont appelés unités p-hydroxyphényl (H), gaïacyl (G) et syringyl (S) [25].
La pectine
La pectine est un hétéropolysaccharide anionique largement distribué dans la paroi cellulaire végétale supérieure qui pourrait réguler le métabolisme des graisses et le microbiote intestinal. L’homogalacturonane (HG) et le rhamnogalacturonane I (RG-I) sont les principales structures de la pectine, et sont principalement composés d’acide D-galacturonique (D GalA), de L-rhamnose (L-Rha) et de sucres neutres . L’HG représente environ 60% de la pectine totale, se compose de Gal-A lié par un revêtement, dont certains sont méthyles ou acétylés. Le RGI se compose de D GalA et de L-Rha liés en alternance qui sont modifiés par des sucres neutres au niveau des résidus de L-Rha [27][29]. La pectine est capable de piéger l’eau pour former des gels à faible concentration, conduisant à des applications comme stabilisant, agent épaississant ou gélifiant dans la confiserie, la boulangerie, les confitures et les produits laitiers. Elle peut non seulement être considéré comme une fibre alimentaire, des prébiotiques ou un substitut des graisses, mais aussi montrer un potentiel nutraceutique pour abaisser le cholestérol [30].
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Étude bibliographique
I.1 Introduction
I.2 Les fibres végétales
I.2.1 Description des fibres végétales et leurs compositions
I.2.1.1 Cellulose
I.2.1.2 Hémicellulose
I.2.1.3 La lignine
I.2.1.4 La pectine
I.2.1.5 Les cires
I.2.2 Propriétés des fibres végétales
I.2.2.1 Avantages et inconvénients
I.2.3 Classification
I.2.4 Les fibres d’Alfa
I.2.4.1 Morphologie
I.2.4.2 Répartition géographique
I.2.4.3 Domaine d’application
I.3 Les tanins
I.3.1 Classification
I.3.1.1 Tanins hydrolysables
I.3.1.2 Tanins condensés
I.3.2 Propriétés
I.3.3 Domaines d’application
I.3.3.1 La mousse
I.3.3.1 Composite à partir de résine de tanin
I.4 Conclusion
I.4 Références
Chapitre II : Étude expérimentale des composites biosourcés.
II.1 Introduction
II.2 Matériaux et techniques d’essai
II.2.1 Matériaux
II.2.1.1 Fibres courtes d’Alfa
II.2.1.2 Résine Greenpoxy
II.2.2 Préparation des échantillons
II.2.2.1 Préparation des plaques composites
II.2.2.2 Taux de fibres et taille des fibres
II.2.3 Essais de caractérisation
II.2.3.1 Inventaire des techniques utilisées
II.2.3.2 Essais mécaniques
II.3 Résultats et discussion
II.3.1 Analyse de la fibre
II.3.1.1 Masse volumique des fibres
II.3.1.2 Caractéristiques géométriques des fibres d’Alfa
II.3.2 Analyse de la matrice
II.3.2.1 Optimisation du cycle de polymérisation
II.3.2.2 Comportement mécanique de la matrice
II.3.3 Analyse du composite
II.3.3.1 Dispersion des fibres dans la matrice
II.3.3.2 Masse volumique
II.3.3.3 Taux de porosités
II.3.3.4 Tenue mécanique en tension
II.3.3.5 Tenue mécanique en flexion
II.3.3.6 Mesure de la résilience par essai de choc
II.4 Conclusion
II.5 Références
Chapitre III : Étude mécano probabiliste
III.1 Introduction
III.2 Caractéristiques mécaniques des éléments constituant la plaque en composite
III.2.1 Fibres d’Alfa
III.2.2 Résine
III.3 Méthodologie de programmation sous Ansys
III.4 Modélisation de la plaque composite
III.4.1 la géométrie
III.4.2 Maillage de la géométrie
III.4.2.1 Éléments BEAM188
III.4.2.2 Élément SHELL63
III.4.3 Conditions de fixation et de chargement de la plaque composite
III.5 Analyse mécano probabiliste
III.5.1 Analyse de la sensibilité par élément finis
III.5.2 Système de conception probabiliste
III.5.3. Modèle probabiliste d’une plaque en composite
III.5.4 Analyse et résultats
III.5.5 Analyse de sensibilité des variables de sortie
III.6 Analyse de sensibilité en fonction des fibres dominantes
III.6.1 Effet des variables d’entrée les plus influentes
III.6.2 Effet du nombre de fibres influentes considéré
III.6.3 Effet du coefficient de variation et de la fraction massique de fibres
III.7 Conclusion
III.8 Références
Chapitre IV : Caractérisation mécanique des mousses de tanin.
IV.1 Introduction
IV.2 Les mousses rigides de tanins
IV.2.1 Préparation et matériaux utilisés
IV.2.1.1 Identification des produits utilisés
IV.2.2 Préparation de la mousse
IV.2.2.1 Problèmes rencontrés lors de mise en œuvre
IV.2.2.2 Préparation des échantillons
IV.2.3 Approches expérimentales
IV.2.3.1 Analyse de la morphologie des mousses de tanins
IV.2.3.2 Détermination de la masse volumique
IV.2.3.3 Essais destructifs de compression et cisaillement
IV.3 Résultats et discussion
IV.3.1 Morphologies des mousses de tanins
IV.3.2 Analyse de la masse volumique
IV.3.3 Analyse de l’essai de cisaillement
IV.3.3.1 Mousse à base de tanin de Mimosa
IV.3.3.2 Mousse à base de tanin de Quebracho
IV.3.4 Analyse de l’essai de compression
IV.3.4.1 Mousse à base de tanin de Mimosa
IV.3.4.2 Mousse à base de tanin de Quebracho
IV.4 Conclusion
IV.5 Références
Chapitre V : Etude expérimentale des poutres sandwichs biosourcés
Conclusion générale
