Fibres naturelles de renfort pour matériaux composites

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.