Généralités et composition des fibres naturelles

Fibres Naturelles

Généralités et composition des fibres naturelles 

Les fibres naturelles sont classifiées en trois grands groupes selon leur origine :
➤ Les fibres végétales qui comprennent les fibres provenant des poils séminaux de graines (coton), les fibres extraites des tiges de plantes (lin, chanvre, jute), les fibres extraites des feuilles (sisal), les fibres extraites de troncs (palmier), ou d’enveloppes de fruits (noix de coco) [1], [8].
➤ Les fibres animales qui proviennent soit des poils des animaux, soit des secrétions tel que la soie [1].
➤ Les fibres minérales telles que le basalt [9].

Dans cette thèse, nous nous sommes focalisés uniquement sur les fibres naturelles végétales. Ces fibres sont composées principalement de cellulose, des hémicelluloses et de lignine. On peut trouver également des substances inorganiques et des extractibles. Cependant, la composition de ces fibres varie d’une fibre à une autre [10] (Tableau I.1). Elle peut également varier pour la même variété de fibres en fonction de l’année et du lieu de croissance de la plante, son âge et l’utilisation d’engrais [11].

Les polysaccharides 

Les polysaccharides sont les constituants majeurs de la plupart des fibres naturelles végétales. Il s’agit majoritairement d’holocellulose qui regroupe la cellulose et les hémicelluloses, et de faibles quantités d’amidon et de pectines. L’holocellulose constitue au moins 65 à 70% de la masse sèche de la biomasse lignocellulosique. Ces polymères riches en groupements hydroxyles sont responsables de la sorption de l’humidité à travers les liaisons hydrogène. Autrement dit, ces groupements sont responsables du caractère hydrophile des fibres végétales.

Cellulose
La cellulose est la matière organique renouvelable la plus abondante sur Terre. Elle joue le rôle de soutien dans les parois cellulaires des végétaux. C’est un homopolymère constitué par une chaîne de motifs D-glucopyranose (connus aussi comme dextrose ou D-glucose) liés par des liaisons glucosidiques de type β-(1-4) (Figure I.1) [1], [11]. Le degré de polymérisation de la cellulose varie entre 1000 et 30000 avec une large polydispersité [12]. Le contenu de cellulose varie d’un type de fibre à un autre. La majorité des plantes contiennent au moins 45 – 50% de cellulose de la masse des fibres sèches (Tableau I.1).

Les macromolécules de cellulose sont orientées aléatoirement et ont tendance à former des régions cristallines qui peuvent atteindre 80% du volume total de la cellulose. La phase cristalline de la cellulose naturelle est connue sous le nom de cellulose I. Ceci est dû à la présence des groupements hydroxyles qui forment des liaisons hydrogène entre elles ce qui oriente les zones cristallines de la cellulose et détermine les propriétés physiques de la cellulose [8]. La cellulose est également formée d’une tige mince comme des microfibrilles cristallines. L’arrangement en spirale des régions cristallines de cellulose forme l’angle microfibrillaire qui régule la rigidité des fibres [13]. L’angle microfibrillaire est défini comme étant l’angle entre l’axe des fibres et les microfibrilles de cellulose [14].

Hémicelluloses
Les hémicelluloses font partie d’une fraction de la biomasse lignocellulosique qui consiste en une série de polysaccharides ayant un degré de polymérisation inférieur à celui de la cellulose. Elles sont constituées principalement des sucres D xylopyranose, Dglucopyranose, D-galactopyranose, L-arabinofuranose, D manopyranose et l’acide Dglucopyranosyluronique etc. Ce sont des chaînes ayant des unités de sucre répétitives (Figure I.2) et liées avec des liaisons β-(1-4) avec des points de ramification (1-2), (1-3) et/ou (1-6) [11]. Une fraction des hémicelluloses est formée de motifs de sucres à 5 carbones nommés pentose comme le D-xylose et L arabinose. Les hémicelluloses, à l’état natif, sont des polymères ramifiés de faible poids moléculaire qui ne sont pas cristallisables mais qui contribuent encore à la structure des cellules végétales en tant que composants de la matrice [15].

Pectines
Les pectines sont des polysaccharides complexes acides de haut poids moléculaire dont le squelette de la chaîne est riche en acide galacturonique avec différents degrés d’estérification galacturonate de méthyl (Figure I.3). Les pectines les plus courantes présentes dans les fibres naturelles sont les homogalacturonanes linéaires et les rhamnogalacturonanes ramifiés. Elles agissent comme adhésifs dans les lamelles moyennes entre les cellules végétales et contribuent à la résistance mécanique des parois cellulaires [16], [17]. Les fibres non ligneuses ont une quantité significative de pectines dans leur structure. Les fibres de lin contiennent par exemple 1,8 %m de pectine [18].

La pectine joue un rôle important dans la fibre en tant que composant qui lie les fibres en faisceaux et détermine également le toucher de la fibre. On peut trouver deux fractions de pectine dans les plantes fibreuses : une fraction soluble dans l’eau et l’autre insoluble dans l’eau. La fibre technique est constituée de cellules collées l’une à l’autre par une lamelle, elle-même composée principalement de pectine insoluble dans l’eau et d’une petite quantité de pectine soluble. La pectine soluble dans l’eau peut être facilement séparée et même peut être décomposée par les bactéries et les moisissures tandis que la pectine insoluble dans l’eau reste dans la fibre et détermine la densité de la fibre. La séparation complète de la pectine cause la désintégration des faisceaux de fibres en fibres élémentaires. Les cires et les graisses sont également importantes en termes technologiques. Elles déterminent un toucher doux, un faible frottement et donc une facilité de déplacement de la fibre [20].

La lignine

Les lignines sont les polymères aromatiques les plus abondants [5]. Ils sont amorphes de structures très complexes constitués essentiellement d’unités phényle-propanes. Ces unités sont principalement la 4-hydroxyphényl (H), la guaiacyl (G) et la syringyl (S) et il existe d’autres unités aromatiques qui varient selon les espèces de biomasse. Ces trois unités diffèrent selon le degré de méthylation du noyau aromatique (Figure I.4) [4], [8], [21].

La structure de la lignine (Figure I.5) varie d’une biomasse à une autre. Les unités phénylepropanes peuvent être substituées selon différentes combinaisons liées les unes aux autres par des liaisons éther et carbone-carbone formant un polymère tridimensionnel [4], [8], [21]. La lignine du maïs contient des unités de vanilline et de syringaldéhyde ainsi que des quantités importantes de p-hydroxybenzaldéhyde. La lignine de kénaf contient un très haut niveau de fonctionnalité syringyl [11]. Les lignines isolées sont généralement classées selon les procédures d’extraction (Kraft, Klason, organosolv, alcaline, etc.) .

Les inorganiques 

La quantité des inorganiques est connue d’après la quantité de cendres obtenue après la dégradation des fibres à une température de 575 ± 25 ⁰C sous air. Ce sont des sels minéraux et d’autres matières inorganiques. Leur quantité est généralement élevée dans les plantes contenant de grandes quantités de silice [11]. Les fibres de lin, kénaf, coton et sisal sont pauvres en inorganiques (entre 0,8 et 5 %m) [23] tandis que les différentes variétés de miscanthus contiennent entre 2 et 6 %m d’inorganiques [24]–[27] et les fibres de bambou en contiennent entre 5 et 17 %m [23].

Les protéines et les extractibles 

Les protéines sont des polymères d’acides aminés parmi lesquels on trouve les enzymes et les toxines. Souvent, la quantité des protéines est considérée comme étant une partie du contenu de la lignine puisque les deux sont isolés par la même procédure [11]. Les extractibles constituent en général entre 0,3 et 3% de la masse des fibres naturelles. Cependant, certaines fibres peuvent être riches en extractibles tel que les cosses et les pailles de riz [28]. Ils constituent les membranes cellulaires telles que la graisse, les acides gras, les alcools gras, les terpènes, les stéroïdes, les résines et les cires. Ils peuvent être des monomères, dimères et polymères. Leur nomenclature comme « extractibles » provient de la facilité de leur extraction par une simple procédure qui sera décrite dans le chapitre suivant [11].

Table des matières

Introduction Générale
CHAPITRE I. ETAT DE L’ART
I.1. Introduction
I.2. Fibres Naturelles
I.2.1. Généralités et composition des fibres naturelles
I.2.2. Les polysaccharides
I.2.3. La lignine
I.2.4. Les inorganiques
I.2.5. Les protéines et les extractibles
I.3. Fibres de lin
I.4. Fibres de miscanthus
I.5. Techniques de modification des fibres naturelles
I.5.1. Traitement Plasma
I.5.2. Traitement Corona
I.5.3. Traitement UV
I.5.4. Greffage enzymatique
I.5.5. Traitement Chimique
I.6. Radiogreffage
II.6.1. Concept de modification par radiogreffage
II.6.2. Modification des fibres naturelles par radiogreffage
I.7. Ignifugation des fibres naturelles
I.7.1. Concept d’ignifugation et mode de fonctionnement des retardateurs de flamme phosphorés
I.7.2. Modification des fibres naturelles par des retardateurs de flamme
I.8. Hydrophobisation des fibres naturelles
I.8.1. Concept d’hydrophobie – oléophobie
I.8.2. Traitement des fibres naturelles
CHAPITRE II. MATERIAUX ET METHODES
II.1. Matériaux
II.2. Procédure générale de modification des tissus de lin par radiogreffage
II.3. Prétraitement des fibres de miscanthus
II.4. Procédure générale de modification des fibres de miscanthus par radiogreffage
II.5. Procédure générale de traitement des tissus de lin et des fibres de miscanthus par modification chimique
II.6. Caractérisations
II.6.1. Microscopie électronique à balayage (MEB) et microanalyse par spectrométrie d’émission X dispersive en énergie (MEB-EDS)
II.6.2. Fluorescence X
II.6.3. Spectrométrie à plasma à couplage inductif
II.6.4. Résonnance magnétique nucléaire du proton 1H
II.6.5. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourrier
II.6.6. Gonflement des fibres élémentaires de lin
II.6.7. Analyses thermiques
Analyse thermogravimétrique
Microcalorimétrie de combustion
Cône Calorimètre
II.6.8. Test d’inflammabilité
II.6.9. Mesure d’angle de contact sur tissus
CHAPITRE III. Comparaison du greffage de VPA sur le lin par voie chimique et par rayonnement ionisant
III.1. Introduction
III.2. Greffage chimique
III.3. Radiogreffage
III.4. Comparaison entre le greffage chimique et le radiogreffage
III.5. Analyse du bain de lavage du tissu de lin irradié
III.6. Dégradation thermique à l’échelle microscopique
III.7. Dégradation thermique à petite échelle
III.8. Effet du phosphore sur l’inflammabilité des tissus de lin
III.9. Greffage des acides phosphiniques
III.10. Conclusions
CHAPITRE IV. Etude de la réactivité du monomère sous bombardement électronique
IV.1. Introduction
IV.2. Radiogreffage des RF phosphorés
IV.3. Ignifugation des tissus de lin modifiés
IV.3.1. Dégradation thermique à l’échelle microscopique
IV.3.2. Effet du phosphore sur l’inflammabilité des tissus de lin
IV.4. Conclusions
CHAPITRE V. Effet de la composition chimique des fibres naturelles sur le greffage des retardateurs de flamme
V.1. Introduction
V.2. Greffage Chimique
V.3. Radiogreffage
V.4. Dégradation thermique à l’échelle microscopique
V.5. Conclusions
Conclusion Générale

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