valorisation de la plante d’alfa article 02.03.2016

8/19/2019 Valorisation de La Plante d’Alfa Article 02.03.2016

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Valorisation de la plante d’Alfa

Dans les bio-composites et les bio-nanocomposites

Introduction

Depuis les années 90, de nouveaux matériaux composites ont émergé dans le paysage industriel. Les

contraintes environnementales et les nouvelles réglementations sur le recyclage des matériaux

composites ont poussé les industriels à développer de nouveaux matériaux issus de ressources

renouvelables. Les fibres végétales sont principalement utilisées pour les intérêts qu’elles présentent :

Matières premières renouvelables ; Résistance mécanique ; Biodégradabilité ; Recyclabilité ; Bilan

carbone neutre lors de l’incinération…

Composition chimique des fibres végétales

Cellulose : Structure cristalline insoluble dans

l’eau du fait de la présence des groupes

hydroxyles bloqués par les liaisons hydrogènes

qui s’établissent entre les groupes OH. Module

de Young E = 136 GPa (Fig. 1)

Figure 1 : Structure macromoléculaire de la cellulose

Lignine : Macromolécule complexe, non

linéaire, constituée d’un système aromatique et

phénolique, elle participe à la rigidité

structurale des parois et protège les plantes

contre les organismes pathogènes. Module de

Young E =4 GPa. (Fig. 2)

Figure 2 : Structure moléculaire de la lignine

Hémicellulose : molécules semblables à la

cellulose par leurs liaisons β(1,4). Ce sont des

hétéros polysaccharides (D-glucose, D-

mannose, D-galactose..). Interviennent comme

agents de couplage entre les fibrilles de

cellulose et la matrice de lignine, facilement

hydrolysables, qu’il est assez facile de séparer

de la cellulose lors des traitements chimiques.

Degré de polymérisation 100 fois inférieur à

celui de la cellulose. (Fig. 3)

Figure 3 : Monomères de sucres composant

l’hémicellulose

Pectines : Polysaccharides composées d’une

chaîne principale d’acides galacturoniques

reliés par des liaisons α-(1,4). (Fig. 4)

Figure 4 : Structure chimique de l’acide

galacturonique

1



Les cires : Riches en acide et alcool à longue

chaîne, rend totalement hydrophobe la surface

des fibres. Les cires sont totalement

imperméables à l’eau et au gaz et permettent

de limiter les pertes d’eau de la plante

Tableau 1: Composition chimique de différentes fibres végétales

Composition physique des fibres végétales

Les fibres végétales sont constituées de deux

parois : primaire et secondaire, la seconde étantelle-même constituée de trois couches. La

paroi primaire, qui apparait en premier lors de

la croissance de la plante, est constituée d’une

faible quantité de cellulose (~8-15%) dans un

arrangement désordonnés des microfibrilles.

La paroi secondaire contient une plus grande

part de cellulose disposée de manière plus

organisée. Les fibrilles sont orientées suivant

un angle, appelée angle microfibrillaire, par

rapport à l’axe longitudinal de la fibre. (Fig. 5)

Figure 5 : Structure d’une fibre végétal

Fibres d’Alfa

Parmi les fibres végétales utilisées comme

renfort dans les matériaux composites, on

trouve les fibres d’Alfa extraites de la plante

Alfa (nom arabe), qu’on appelle aussi« Stipa

tenacissima ».C’est une plante typiquement

méditerranéenne qui pousse en touffesd’environ 1m à 1m20 de hauteur. Elle joue un

rôle très important en délimitant le désert, et

par voie de conséquence, arrête la

désertification.

Le choix des fibres d’Alfa comme renfort dans

les matériaux composites est basé sur plusieurs

raisons :

- L’abondance de ces plantes au Maroc ;

- L’existence limitée de ces plantes au nord de

l’Afrique (Maroc, Algérie et Tunisie) ;

- Le faible coût d’extraction et de traitement

des fibres d’Alfa.

Extraction des fibres cellulosiques

- Prétraitement de la plante Alfa : Triage,

calandrage, peignage et traitement à eau salé.

Ce dernier permet une bonne pénétration des

produits chimiques à l’intérieur de la plante.

- Rouissage alcalin : Délignification avec

l’hydroxyde de sodium combiné avec

l’hypochlorite de sodium. Ce procédé permet

l’augmentation de la quantité de cellulose surla surface de la fibre et donc l’amélioration

de l’adhésion de la fibre à la matrice

polymère (rugosité de surface).

- Optimisation les paramètres influant sur la

qualité des fibres à l’aide la méthodologie des

plans d’expériences

FIBRE CELLULOSE % HEMICELLULOSE

%

LIGNINE % PECTINE %

ALFA 40.5 22.8 22.5 10.2

LIN 60-81 14-18 2-3 1.8-2.3

CHANVRE 70-78 18-22 3-5 0.9

COTON 82-92 2-5 0.5-1 5.7

BAGASSE 40 30 20 10

2



Plante Alfa

Fibre alfa

Morphologie par MEB -Surface lisse sans relief (graisses et

cires)

-Présence de faisceaux de fibrilles decellulose maintenues par la lignine,

pectine et hémicellulose

- Fibres détachées par traitement à

la soude caustique

-Fibre avec une centaine demicromètre de longueur et une

dizaine de micromètre de diamètre

-Ténacité de la fibre 17cN/tex

Analyse

thermogravimétrique

-Perte de masse à 25°C jusqu’au

100°C due à l’eau absorbée

-100 à 200°C Stabilité thermique

(réactions sans perte de masse)

-Pertes de masse considérable à

280°C jusqu’au 430°C due à la

décomposition de l’hémicellulose

lignine et pectine

-Une perte de masse de 5% nécessiteT=200°C (Fig. 6)

-Perte de masse à 25°C jusqu’au

100°C due à l’eau absorbée

-100°C à 200°C Stabilité

thermique (réactions sans perte de

masse)

-280°C à 430°C pertes de masse

considérable due à la

décomposition de la cellulose

-Une perte de masse de 5%nécessite T=340°C

Spectroscopie

infrarouge à

transformée de fourrier

-Les pics 2918 et 2850cm-

1 caractérise la liaison -C-H des

groupements CH2 dans

l’hémicellulose

-Cellulose identifiée dans la bande

950 et 1200 cm-1

qui est la bande

de vibration de C-O dans les

groupes alcools (Fig. 7)

Propriétés mécanique -Les constituants de caractère

amorphe (lignine, pectine..) ont une

résistance beaucoup plus faible que

celle de la cellulose

-Amélioration de la ténacité de la

fibre après élimination de lignine

et pectine

Tableau 2 : Caractérisation de la plante d’alfa et des fibres cellulosiques

Figure 6 : Courbe ATG de la plante et de la fibre d’Alfa Figure 7 : Spectres infrarouge de la plante et de la

fibre Alfa

Discussion

-

Stabilité thermique est meilleure pour les

fibres par rapport à celle de la plante

- L’intensité des pics des bandes de vibration

des molécules de lignine a considérablement

diminuée ceci est dû au traitement alcalin qui

solubilise la lignine et engendre le

3



dégagement des groupements OH dans la

cellulose

- L’extraction chimique solubilise les liant qui

collent les fibrilles, diminue le degré micro

fibrillaire et par suite améliore la rigidité et

diminue l’allongement

-

La ténacité des fibres d’Alfa est faible, ceci

est dû à la teneur et à la qualité de la

cellulose dans l’Alfa 40,6%.

Elaboration du biocomposite à base de fibres

longues et de Polycaprolactone

Figure 8 : Elaboration du composite unidirectionnel

par imprégnation

Fibre Alfa PCL Composite Alfa/PCL

Comportement

mécanique

-El= 14,3 GPa

-εl= 2%

-σl=149MPa

-El= 364 MPa

-εl= 780%

-σl=13 MPa

-El= 4,1 GPa (36% de taux de

renfort)

-εl= 3.65%

-σl=72 MPa

Caractéristiques de

l’interface

-Apparition à la surface

de la fibre des reliefs pointus composés de

lignine et hémicellulose

après traitement

chimique.

-Le PCL Consolide

l’ensemble de fibres enles maintenant dans une

direction donnée

-Protecteur du renfort

contre l’environnement

agressif

-Test de déchaussement :

Résistance interfaciale plante/PCL σl=1,75MPa

Résistance interfaciale

Fibre/PCL σl=2,01MPa

(Fig. 10)

Analyse


-Perte de masse

considérable à 280°C

jusqu’au 430°C due à la

décomposition de la

cellulose

-Perte de masse globale

de 87%

-Perte de masse

considérable à 375°C

jusqu’au 520°C

-Perte de masse globale

de 96% (Fig. 9)

-Comportement

intermédiaire : décomposition

de 288 °C jusqu’au 533°C

-Perte de masse globale de

94%

Mesure de la masse

volumique

- γFibre= 1.4 g/cm3 - γPCL= 1.145 g/cm3 ;

légèreté en raison des

bulles d’air

emprisonnées à

l’intérieur de la matrice

après refroidissement

- γFibre/PCL= 1.145 g/cm3 à

un taux de renfort de 46 %

Tableau 3 : Caractérisation de la plante d’alfa, du PCL et du composte Alfa/PCL

170g/L :Polycaprolacton

e/Choloroforme

Nappesunidirectionnellesde fibres d'alfa ensandwich entre 2

feuilles de PCL

Fusion et diffusiondu PCL à l'aided'une presse àdeux plateaux

chauffants

4



Analyse thermogravimétrique -Température de début de

perte de masse T=318°C

-Température de

décomposition T=375°C

-Température de début de perte de masse

T=245°C

-Température de décomposition T=315°C

(Fig. 13)

Diffraction aux rayons X -Cristallinité Crl=64% -Cristallinité Crl=71%

Tableau 4 : Caractérisation des microfibrilles cellulosique et des nanocomposite cellulosique

Figure 12 : Spectre infrarouge de a) la plante, b) MCF,

C) NCC

Figure 13 : Courbe D-TGA de la plante, MFC, et NCC

Discussion

- La présence des groupes sulfates pendant

processus d’hydrolyse améliore la dispersion

des NCC dans l’eau

-

Les NCC présente la stabilité thermique la

plus faible en raison de l’introduction de

groupes sulfatés aux NNC lors de l’hydrolyse

-

L’amélioration de la cristallinité chez les NCC revient à l’élimination au cours de

l’hydrolyse des zones amorphes de la

cellulose

Préparation des films nanocomposites

CMC/NCC

CMC CMC-3% CMC-5% CMC-10%

Analyse


-Début de perte

de masse

T=256°C

(Fig. 85)

-Début de perte

de masse

T=262°C

-Début de perte

de masse

T=274°C

-Début de perte

de masse

T=258°C

Comportement mécanique -El= 1,39 GPa

-εl= 19 ,7%

-σl=57,2MPa

-El=1,7GPa

-εl=16 %

-σl=60MPa

-El= 1,95 GPa

-εl= 14,5%

-σl=70MPa

-El=2,29GPa

-εl= 11 ,56%

-σl=119,3MPa

•1g polymère de

Carboxyleméthyle decellulose dans 100mL d'eau;2h d'agitation

CMC

•Dispesion des NCC à 3, 5 et10 %

NCC

•Coulée/Evaporation dans desmoules en plastique avec 72h

jusqu'au séchage àtmpérature ambiante

FilmCMC/NCC

6



Perméabilité à la vapeur

d’eau

-Transmission à

la vapeur d’eau :

TVE =116.10-4

g/h.m.Pa

-Transmission à

la vapeur d’eau :

TVE =112.10-4

g/h.m.Pa

-Transmission à

la vapeur d’eau :

TVE =109.10-4

g/h.m.Pa

-Transmission à

la vapeur d’eau :

TVE =106.10-4

g/h.m.Pa

Tableau 5 : Caractérisation des films CMC/NCC 3, 5, et 10% en poids

Discussion

-

Amélioration du comportement thermique

avec l’addition des NCC pour atteindre son

maximum à un taux de renfort 5 % suite à la

forte adhérence interfaciale entre matrice et

NCC

-

Chute du comportement thermique est

attribuée à la présence des groupes sulfates à

la surface des NCC qui affaiblissent leur

comportement thermique- Amélioration de la contrainte de rupture et du

module de Young suite aux interactions

favorables entre des groupements hydroxyles

des NCC et groupement sulfates avec CMC

-

Limitation de flexibilité du polymère due à la

formation de nouvelles liaisons hydrogènes

entre la matrice et le renfort et la bonne

dispersion des NCC dans le polymère

- Diminution la PVE du fait de l’élimination

des zones amorphes par l’hydrolyse

Conclusion

La substitution des fibres synthétiques par des

fibres végétales de type fibres Alfa, permet de

garantir une stabilité écologique et

environnementale à travers l’exploitation des

ressources des régions peu développées

cependant les propriétés mécaniques à base de

fibres d’Alfa sont moins importantes par

rapport à ceux des fibres synthétique pour ce,

les fibres d’Alfa peuvent être utilisées dans des

composites non structuraux nécessitant des

propriétés mécaniques moyenne. Une large

gamme d’applications en injection, dans le

secteur automobile, mais également dans les

secteurs d’ameublement, de décoration, etd’autres secteurs.

De plus, l’optimisation des propriétés et la

résolution de verrous technologiques devraient

permettre d’élargir cette technologie à des

pièces de structure avec un gain de masse, et

de meilleures propriétés acoustiques.

Pour les composite à base de nanocristaux de

cellulose ont montrés des performances

mécaniques et thermiques remarquables ainsi

qu’une bonne résistance à la vapeur d’eau d’où

l’intérêt de leur utilisation dans le secteur de

l’emballage alimentaire et du flaconnage.

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