Généralités sur les matériaux composites

L ES COMPOSITES BOIS-POLYMÈRES

Les composites bois-polymères

Parmi les composites à base de bois, nous nous intéresserons essentiellement aux composites bois-polymère. Ce matériau est formé de deux composants principaux : le bois, qui est un élément de remplissage (charge) et/ou de renfort, et le polymère, qui joue le rôle de la matrice. Le bois est généralement incorporé sous forme de fibres ou sous forme de particules dépendamment des propriétés désirées. L’utilisation des fibres a généralement pour but l’amélioration des propriétés mécaniques (Stark et al. 2010). La formation du composite bois-polymère se résume dans la polymérisation d’un monomère dans les pores vides du bois. Le polymère ainsi formé va jouer plusieurs rôles, dont le rôle du protecteur contre les attaques de l’eau et des microorganismes (Baysal et al. 2007; Hashizume et al. 1988).

Domaines d’utilisation: L’utilisation des CBP a remarquablement augmenté depuis quelques années. Les CBP sont en train de remplacer plusieurs autres matériaux tels que le bois naturel, les plastiques et les composites à base de fibres de verre. Cette concurrence se manifeste au niveau de plusieurs applications, qu’elles soient intérieures (cadres de porte ou planchers), ou extérieures (meubles de jardin ou terrasses). Dans une étude du marché réalisée par le centre de recherche industrielle du Québec en 2013 (CRIQ 2013), on mentionne que le marché global des CBP a été évalué à 2,4 M de tonnes en 2011 et on estime qu’il devrait doubler en 2016. Cette étude vient dans le cadre d’une stratégie de revitalisation de la filière de la forêt feuillue québécoise envisagée par le ministère des ressources naturelles (MRN). Le CBP a été proposé parmi 10 produits qui devraient nécessiter une consommation annuelle de 100 000 à 250 000 m3 de bois. Il faut noter aussi que les CBP ne cessent de susciter l’attention des industriels et commencent à toucher à des domaines assez complexes et importants comme l’ ingénierie de pointe. Le progrès que ces matériaux ont atteint au niveau de leurs propriétés (durabilité et propriétés mécaniques) explique l’augmentation de leur utilisation. On peut diviser le domaine d’utilisation des CBP en quatre groupes (Yongfeng 2011 ; CRIQ 2003):

• les matériaux de construction,

• les matériaux de transport,

• le matériel militaire

• et les composants de meubles

Cellulose

La cellulose est le produit chimique organique le plus abondant sm terre. Celle-ci est constituée de blocs de cellobiose, puisque le motifrécunent dans la cellulose est une unité de deux sucres. La figure 1. 7 illustre la structure chimique de la cellulose. Sa formule chimique est (C6H100 5) n, avec n variant entre 200 et 3000 (Rowel2005). Les molécules de cellulose sont orientées de manière aléatoire et ont tendance à former des liaisons hydrogène intra et intermoléculaires. Comme la densité de tassement de cellulose augmente, des régions cristallines sont formées. La plus grande partie de la cellulose de bois dérivé est hautement cristalline; en effet, elle peut contenir jusqu’à 65% de régions cristallines (Rowel 2005). La portion restante a une densité de tassement plus faible et est désignée comme cellulose amorphe. Il y a plusieurs types de cellulose dans le bois: cristalline et non cristalline, accessible et non accessible. Les termes « accessible » et « non accessible » réfèrent à la disponibilité de la cellulose à l’eau, micro-organismes, etc. Ce sont seulement les surfaces de la cellulose cristalline qui sont accessibles. La plupart de la cellulose non cristalline est accessible. Toutefois, une partie de la cellulose non cristalline est couverte avec de l’hémicellulose et de la lignine, ce qui la rend non accessible. Les concepts de cellulose accessible et non accessible sont très importants dans l’absorption de l’humidité, dans la fabrication de la pâte, dans le cadre de la modification chimique et dans les extractions et interactions avec les microorganismes (Rowel 2005).

Hémicellulose

L’hémicellulose est un polymère ramifié, de faible poids moléculaire et composé de cinq ou six sucres. Des exemples de monosaccharides d’hémicelluloses sont présentés à la figure 1.8. Le nombre de monomères de glucose qui se combinent pour créer l’hémicellulose varie entre 100 et 300. Ils sont également moins ordonnés que la cellulose, bien que certains puissent former des unités cristallines. Les h émicelluloses sont désignées par les sucres qu’elles contiennent. Les hémicelluloses peuvent également contenir des groupes carboxyles, acétyles et des groupes méthyles substitués. Les structures détaillées de la plupart des hémicelluloses de bois n’ont pas été déterminées: seuls les rapports de sucres que ces polysaccharides contiennent ont été déterminés. Les hémicelluloses semblent agir comme agents de couplage entre la surface interraciale hautement polaire des microfibrilles et la matrice de lignine beaucoup moins polaire (Y ongfeng 2011 ).

Agent de couplage et adhésion

Dans les matériaux composites de type bois-polymère, l’adhésion et la compatibilité entre les fibres de bois et la matrice polymérique ont été largement étudiées. Les renforts polaires et la matrice apolaire sont faiblement compatibles. Les propriétés de la chimie de surface du bois jouent un rôle important dans le phénomène d’adhésion (Rowell et al. 2005). Les mécanismes d’adhésion entre les fibres et la matrice polymère peuvent être résumés en 3 types : adhésion mécanique et liaison covalente qui expliquent surtout l’adhésion entre les fibres et les matrices thermodurcissables et finalement les liaisons secondaires qui sont plus représentatives de l’adhésion fibre/matrice thermoplastique (Lu 2003; Bouafif 2009). Pour améliorer la compatibilité, la modification de la surface des fibres était le chemin le plus suivi par (Matuana et al. 1998; Razi et al. 1999). Les méthodes les plus reconnues sont la modification chimique des fibre s, qui consiste essentiellement à remplacer les groupements hydroxyles par des groupements fonctionnels; le revêtement des fibres et le traitement thermique (Rowell 2004).

L’utilisation d’agent de couplage a été à son tour largement étudié pour la résolution du problème de 1 ‘ adhésion dans les composites bois-polymère. La figure 1.10 illustre une comparaison entre 1’ efficacité de différents agents de couplage sur des composites à base de Polychlorure de vinyle (PVC) et des composites à base de pâte chimico-thermomécanique (Lu 2003). Le rôle de l’agent est de faire un pont entre les renforts et la matrice grâce aux groupes fonctionnels qui réagissent avec les groupes hydroxyles de la cellulose et de la lignine (Lu et al. 2007). Ce rôle est expliqué par trois mécanismes : les liaisons secondaires telles que les liaisons hydrogènes (Raj et al. 1988), les liaisons covalentes et finalement l’enchevêtrement moléculaire. À titre d’exemple, Bouafif (2009) affirme que les polymères fonctionnalisés avec 1 ‘anhydre maléique se greffent généralement au niveau de l’ interface bois/thermoplastique. Les groupes fonctionnels interagissent ou réagissent chimiquement avec la surface du bois et les longues chaînes alkyles se diffusent dans la matrice. On trouve essentiellement trois familles d’agents de couplage (Lu 2003):

• organiques, dont les anhydrides et les amides ;

• inorganiques, dont les silicates ;

• organiques-inorganiques dont les silanes et les titanates.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I REVUE DE LITTÉRATURE
1.1. GÉNÉRALITÉS SUR LES MATÉRIAUX COMPOSITES
1.2. L ES COMPOSITES BOIS-POLYMÈRES
1.2.1 Généralités
1.2.2. Domaines d ‘utilisation
1.2.3. Mise enforme
1.2.3.1. Extrusion
1.2.3.2. Moulage par injection
1.2.3.3. Thermo-consolidation
1.3. MATIÈRES PREMIÈRES
1.3.1 Les fibres de bois
1.3.1.1. Cellulose
1.3.1.2. Hémicellulose
1.3.1.3. Lignine
1.3.2. Les matrices polymères
1.3.3. Agent de couplage et adhésion
1.4. TRAITEMENTS DES FIBRES
1.4.1. Traitements chimiques
1.4.2. Traitements thermiques
1.4.2.1. Comportement thermique du bois
1.4.2.2. Torréfaction
1.4.2.3. Traitement thermique aux huiles végétales
1.4.2.4. Traitement thermique au Bioester
1.5. E FFET DES CARACTÉRISTIQUES DES FIBRES SUR LES PROPRIÉTÉS DES CBP
1.5.1 Effet de la teneur enfibres 
1.5.2 Influence de la nature et de la composition chimique des fibres 
1.5.3 Influence de la teneur en humidité 
1.6. INFLUENCE D’UN TRAITEMENT THERMIQUE
1.6.1. Effet du traitement thermique sur 1 ‘hygroscopicité et la chimie de surface des CEP
1.6.2. Effet du traitement thermique sur les propriétés des CEP
CHAPITRE II APPROCHE MÉTHODOLOGIQUE
2.1. OBJECTIFS
2.2. HYPOTHÈSES
2.3. MATÉRIEL ET MÉTHODES
2.3.1. Matériel 
2.3.1.1. Essences de Bois
2.3.1.2. Le Biodiésel
2.3.1.3. Unité de traitement
2.3.2. Méthodes  
2.3.2.1. Traitement biothermique du bois
2.3.2.2. Préparation des fibres
2.3.2.3. Caractérisation anatomique
2.3.2.4. Dispositif expérimental 
2.3.2.5. Préparation des granules de CBP
2.3.2.6. Préparation des éprouvettes
2.3.2. 7. Caractérisation mécanique
2.3.2.7.1. Essais de traction
2.3.2.7.2. Essais de Flexion
2.3.2.7.3. Test d’impact IZOD
2.3.2.8. Caractérisation des propriétés physiques
2.3.2. 8.1. Absorption d’eau
2.3.2.8.2. Propriétés thermiques
2.3.2.9. Caractérisation des propriétés de la surface
2.3.2.9.1 Angle de contact- mouillabilité
2.3.2.9.2. Microscopie électronique à balayage
2.3.2.9.3. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier
2.3.2.10. Analyse statistique
2.3.2.11. Récapitulatif sur l’ échantillonnage et les répétitions
CHAPITRE III RÉSULTATS ET DISCUSSION
3.1. PROPRIÉTÉS GÉOMÉTRIQUES DES FIBRES
3.2. ANALYSES DE VARIANCE
3.3. PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
3.2.1. Propriétés en traction 
3.2.2. Propriétés enflexion 
3.2.3. Énergie d’impact. 
3.2.4. Effet del ‘agent de couplage sur les propriétés mécaniques des CEP 
3.3. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES
3.3.1 Stabilité dimensionnelle 
3.3.2 Propriétés thermiques   
3.4. PROPRIÉTÉS DE SURFACE
3.4.1 Observation au microscope électronique à balayage 
3.4.2 Angle de contact 
3.4.3 Spectroscopie infrarouge 
3.4. SYNTHÈSE DES RÉSULTATS
CONCLUSIONS 
RÉFÉRENCES
ANNEXES A
ANNEXES B

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