fibres végétales : les bases de la · 3.4 facteurs de forme des fibres végétales des fibres...
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Fibres Végétales : les bases de la
composition/l’ultrastructure et l’interrelation avec les procédés;
les caractères variables et génériques
Johnny Beaugrand, CR INRA, UMR 614, INRA-URCA, REIMS
Mécanique des Matériaux Biosourcés 20-24/01/2014, Aussois
http://www.lille.inra.fr/Le-centre-Les-recherches/Les-unites-du-centre/UMR-FARE
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Plan I. Description du monde des fibres végétales 1.1 Définition générale 1.2 Champs disciplinaires concernés par les fibres végétales 1.3 Origine botanique Des gisements d’origines anatomiques diversifiées Classification des fibres issues des plantes et productions estimées 1.4 Origines des particularités typologiques : génétiques et fonctionnelles Développement des tissus Zoom sur le développement radial II. Structure et composition des parois des fibres 2.1 Structure des Parois des fibres Types I aire et II aire Paroi = Une construction hiérarchique multi-échelle, composite 2.2 Composition des Parois des fibres Illustrations de quelques structures moléculaires Des typologies biochimiques Relations structure moléculaires et propriétés aux échelles supérieures Caractéristiques élastiques des polymères pariétaux 2.3 Biosynthèse et ultra structure des Parois Focus sur l’usine cellulaire Focus sur la formation d’un réseau pariétal via des liaisons faibles et covalentes 2.4 Ultra structure des Parois et gradient biochimique Distribution hétérogène des constituants Distribution hétérogène, un réseau interconnecté: effet de sa déstructuration Typologies ultra structure-composition de fibres 2.5 Ultra structure des Parois et propriétés locales III. Propriétés des fibres 3.1 Propriétés multi échelles 3.2 Hiérarchie des facteurs ultra structuraux sur les propriétés des fibres Focus sur les zones de faiblesse ou concentration de contraintes Création de défauts: les procédés Microstructure: changement locaux et brusques de l’orientation des MFA 3.3 Variation dimensionnelles/géométriques le long d’une fibre et d’un faisceau 3.4 Facteurs de forme des fibres végétales des fibres Longueurs et facteur de forme pour des applications de renfort 3.5 Evolution des propriétés élastiques en fonction des caractéristiques des fibres Les diamètres, densités, dispersion des performances Emergence de traits explicatifs 3.6 Comparaison avec les fibres synthétiques 3.7 Variation des propriétés en fonction des conditions d’environnement: H20 Module Elastique, résistance, fracture 3.8 Réponse mécanique et structural de fibre de bois sous contrainte IV. Intérêts et perspectives industriels pour les fibres végétales V. Quelques conclusions
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Fibre végétale = plus petit élément intact délimité par une paroi C’est une cellule (active-sénescente) Généralement de forme allongée, creuse et fermée à ses extrémités ( ± ‘paille’) Attention à la terminologie, généralement les fibres sont associées en faisceaux
1.1. Définition générale
= composite créé par la Nature
(Vincent, 2000, Appl. Compos. Mater.)
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Plante-fibre, une structure organisée multi-échelle
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Une paroi végétale = le squelette d’une cellule = une forme allongée avec des extrémités bouchées
Structure hiérachique
1.1. Définition générale
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AGRONOMY
MATERIAL
BIOCHEMISTRY
CHEMISTRY COMPOSITE
POLYMERE SCIENCE
ENGINEERING, MANUFACTURING
AGRICULTURAL ENGINEERING
MOLECULAR BIOLOGY
PLANT SCIENCES
TEXTILES
PAPER & WOOD
…
GENETICS
BIOTECHNOLOGY & APPLIED MICROBIOLOGY
ENERGY & FUELS
Qui les étudie?
Champs disciplinaires:
Natural fiber Natural fibre
Lignocellulosic fiber
5
1.2 Champs disciplinaires concernés par les fibres végétales
ISI Web of Knowledge
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Les tendances de la recherche
0
40
80
120
160 Evolution des ACL 'Natural and Fiber' et des ACL 'Wood and Fiber'
a)
0
1 000
2 000b)
Inversion du nombre d’ACL, les fibres longues (tiges/feuilles) ‘dépassent’ les fibres courtes (bois)
car ‘crise’ des secteurs bois/papier et les composites fibrosourcés investissent des secteurs économiques traditionnellement utilisateurs de ‘synthétique’ + performances /demande sociétale / normes…
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1.2 Champs disciplinaires concernés par les fibres végétales
ISI Web of Knowledge
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Bois (gymno/angio)
Plantes annuelles (angio mono ou dicotyledones)
Règne des Plantae -Gymnosperms (bois ‘softwood’), et angiosperms (bois ‘hardwood’ et plantes annuelles)
Gumnospermos signifiant ‘semence nue’, 20 000 espèces, bois conifères (sapin), thuyas, épicéa…
Angiosperme signifie ‘graine dans un récipient’, 250 000 à 300 000 espèces, bois feuillus (chêne)
Dicotylédones (cambium et bois secondaire)
Des organismes et génomes très différents = contribution à des fibres de typologies contrastées
1.3 Origine botanique
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Et Monocotylédones (pas de bois secondaire)
Subdivisé en
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Müssig, Ind appl of natural fibres, 2010
Des gisements d’origines anatomiques diversifiées
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1.3 Origine botanique
Des fonctions différentes = contribution à des fibres de typologies contrastées
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Fibres végétales = un monde hétérogène:
formes/dimensions/compositions/localisations géographiques /disponibilités…
Hemp
Abaca
Miscanthus Sisal
Bamboo
Cec
ilia
Na
m's
Web
log
Coir
Cotton
1.3 Origine botanique
Des gisements d’origines anatomiques diversifiées
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Classification des fibres issues des plantes et productions estimées
Shah J Mater Sci, 2013 10
1.3 Origine botanique
Des volumes et des zones climatique de culture contrastés
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Les structures/compositions sont liées aux rôles occupés des fibres dans la plante: (de là les usages logiques conçus par l’Homme)
1.4 Origines des particularités typologiques : génétiques et fonctionnelles
- adaptation aux contraintes mécaniques (port dressé, environnement etc…) -conduction (sève primaire ou élaborée) et soutien, -stockage de réserve, -protection et -transport des graines (poils)
Müssig, Ind appl of natural fibres, 2010; Evert, 2006 11
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Développement des tissus:
Méristème Iaire
vert
ical
e
et radial
Illustration Wikipedia
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1.4 Origines des particularités typologiques : génétiques et fonctionnelles
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Cambium (assise libéro-ligneuse)
Coupe transversal d’une tige
Zoom sur le développement radial
3
5
‘Bois’
‘Liber’
Illustration Wikipedia
assise subéro-phellodermique 7
Ecorse
1. Pith, 2. Protoxylem, 3. Xylem I, 4. Phloem I, 5. Sclerenchyma (bast fibre), 6. Cortex, 7. Epidermis
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1.4 Origines des particularités typologiques
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Origines des différences
Primaire (monocotyledon)
+ évoluer Secondaire (gymno/dicotyledon)
Gorshkova indu crops products,2003; Wasteneys Annual Rev plant Biol, 2003
Ratio Paroi/Lumen≠
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2.1 Structure des Parois des Fibres
II. Structure et composition des parois des fibres
A
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Paroi = Une construction hiérarchique multi-échelle, composite
Weinkamer Materials Science and Engineering 2012
Cas d’une paroi II aire
Placet Composites PartA 2009; G. Geronimidis, 1993; Deng Computational materials science 2012
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2.1 Structure des Parois des fibres
Anisotropie directionnelle, propriétés physiques et mécaniques sont position dépendant
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Cotton Bambou Chanvre/lin Bois
Pourquoi des épaisseurs de parois II aires differentes?
Durée de vie cellulaire/activités enzymatiques plus étendues (de quelques jours à plusieurs mois)
Attention, structures modèles…encore des controverses (cas B) Des auteurs rapportent aussi des zones de transitions (MFA) à l’intérieur des sous couches
‘juvénile’ ‘vieux’
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2.1 Structure des Parois des fibres
Lin, fracture, (Romhany JAPS 2003)
B)
Müssig, Ind appl of natural fibres, 2010; Romhany JAPS 2003
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(Poly)saccharides de 50 à 98 % Structure/signalisation etc… cellulose; hémicellulose et substances pectiques Lignine et assimilés de 2 à 30% Structure (rigidification)/ imperméabilisant/protection… phenylpropanoïde, acides hydroxycinnamique etc… Lipides, cires et dérivés de traces à 1% Protection/signalisation cutine hydroxyacides, cires esters d’acide gras et d’alcool, subérine (cutine et Triglyrecides) Protéines traces à 10 % Structure/ défense/catalyse (biosynthèse et remodelage parois) Extansines (Hydroxyprolin Rich Glyco Protein) et stress relaxation, Arabino Galactan Protein (AGP) Extractibles de 1 à 5% Signalisation, structure, plastifiant, vestiges du metabolisme… Ca2+ (HG), oligosaccharide, ….famille ‘fourre-tout’ Eau de quelques % à ‘30%’ prop. viscoelastoplastique, catalyse…
Fonctions connues/supposées Famille % massique (indicatif)
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2.2 Composition des Parois des fibres
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n jusqu’à 10 000
NHNH
O
O
R
R
NHNH
O
O
R
R
NHNH
O
O
R
R
NHNH
O
O
R
R
NHNH
O
O
R
R
NHNH
O
O
R
R
O
OH
HO OH
O
O
HO
O
OH
OHO
OH
HO OH
O
O
HO
O
OH
OHO
OH
HO OH
O
O
HO
O
OH
OHO
OH
HO OH
O
O
HO
O
OH
OH
O
O O
H OO
H O
O H
O H
H O H 2 CO
O H
O H
O
O
O H
O H
O
O
O O
H OO
O H
H O H 2 C
O
O H
O H
O
OO
O H
O
H O H 2 C
O
O O
H OO
H O
O H
O H
H O H 2 CO
O H
O H
O
O
O H
O H
O
O
O O
H OO
O H
H O H 2 C
O
O H
O H
O
OO
O H
O
H O H 2 C
Hémicelluloses/substances pectiques
Protéines (20 monomères)
Cellulose (1 monomère)
Quelque uns des monosaccharides (oses) des parois
Illustrations de quelques structures moléculaires
Lignines
3 monomères
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2.2 Composition des Parois des fibres
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Extractibles, Mineraux
Quantité (% masse)
cellulose
Hémicelluloses
Substances pectiques
Taill
e o
u M
asse
Mo
lécu
lair
e
Protéines
lignine Lipides
Représentation simplifiée et non exhaustive des quantités et longueurs moléculaires des composés pariétaux
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2.2 Composition des Parois des fibres
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Madsen, Advances in Materials Science and Engineering 2013
20
2.2 Composition des Parois des fibres
+ - -
- + +
Fibres ‘Bois’ moins cellulosiques que fibres ‘longues’
Des exceptions…Exemple les fibres des ‘bois de réaction’
Des typologies biochimiques
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Facteurs à considérer, à l’échelle de la molécule, pour expliquer les différences de propriétés conférées aux fibres (hors paramètres structuraux)
Capacité à créer dans son environnement des liaisons faibles (cellulose; hydrogène, Van der Waals) ou fortes (lignine; covalentes)
Propriétés intrinsèque de la molécule: Force des liaisons qui la compose (hexose ≠ pentose) et donc la nature atomique Géométrie de la molécule, nature linéaire (cellulose) ou ramifiée (hemicellulose, lignines) soit rigidité E, σ etc… si polymère, sa Tg
Cristal de cellulose
4-O
-met
hyl
glu
curo
no
xyla
n
21
2.2 Composition des Parois des fibres
Deng Computational materials science 2012
Liaisons Ionique -Covalente hydrogène -Van der Waals eV/atome 10 0,1
Relation structure moléculaire et propriétés aux échelles supérieures
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Shah 2013 J Mater Sci 2013; Summerscales J mater Sci 2011
Caractéristiques élastiques des polymères pariétaux familles
Comment les lignines de si faible E ‘rigidifient’ les parois?
‘théorie unifiée’ Yamamoto1998 Wood Sci Technol
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2.2 Composition des Parois des fibres
Changement de l’ultrastructure
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Cosgrove 2005 Nat. Rev. Molec. Cell. Biol
Formation Paroi Iaire
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2.3 Biosynthèse et ultra structure des Parois
Focus sur l’usine cellulaire
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Focus sur la formation d’un réseau pariétal via des liaisons faibles et covalentes
Attention, un modèle structural parmi d’autres
Cosgrove 2005 Nat. Rev. Molec. Cell. Biol 24
2.3 Biosynthèse et ultra structure des Parois
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Lignines
Hémicelluloses
Cellulose
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Polym
eres (nm
)
faisceaux (cm-mm) Fibre (mm-µm) sous-couche interface (µm-nm)
L
L
S2 S1
S3
S2 S1 S3
ML
Un gradient de composition, Une distribution des propriétés
2.4 Ultra structure des Parois et gradient biochimique
Salmen, 1982, thesis,
Ultra stucture et gradient biochimique
Baley, tech de l’Ingenieur 2010
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Distribution hétérogène des constituants
Blake, 2008 planta; Ji 2013 planta
Immunolocalisation par fluorescence de classes d’hemicellulose sur une coupe de tige de lin
détection de galactan
Détection des lignines par Raman sur coupe de trachéites
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2.4 Ultra structure des Parois et gradient biochimique
détection de xylan
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Distribution hétérogène, un réseau interconnecté: effet de sa déstructuration
C
iawl
oawl
Paroi Primaire avant enzyme
Paroi Primaire après enzyme (xylanase)
Beaugrand Inter J Plant Sci 2004
Hydrolyse d’hémicelluloses (xylans) des parois
Déstructuration par des ciseaux moléculaires spécifiques, les enzymes
27
2.4 Ultra structure des Parois et gradient biochimique
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‘Bois’ Fibres longues
Typologies ultra structure-composition de fibres :
Coton
98% cellulose
40% cellulose 20 % Hemicelluloses 30% lignines
65% cellulose 10 % Hemicelluloses 5% lignines
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2.4 Ultra structure des Parois et gradient biochimique
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29 Bourmaud CompositesPartB 2012; Deng et al 2012 Computational materials science
2.5 Ultra structure des Parois et propriétés locales
Importance de la sous couche S2
La sous couche S2 généralement plus épaisse et MFA très faible
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Module élastique
X 1
00
0 0
00
00
0
30
3.1 Propriétés multi-échelles
Bledzki 1999 prog polym Sci
Exemple du bois
III. Structure et composition des parois des fibres
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3.2 Hiérarchie des facteurs ultra structuraux sur les propriétés des fibres
1) L’épaisseur de la paroi ou le ratio Paroi/lumen 2) Le MFA de la cellulose (et le taux de cristallinité) 3 ) Si MFA grand, alors influence des teneurs en hémicellulose et lignines perceptible Pas sur les graphiques: 4) Défauts structuraux (dislocations, initiales ou induites par procédés)
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3.2 Hiérarchie des facteurs ultra structuraux sur les propriétés des fibres
Défauts potentiels,
endommagements
0
500
1 000
1 500
0 100 200 300
Ult
imate
ten
sile
str
en
gh
t (
MP
a)
Fiber element Diameter (µm)
Focus sur les zones de faiblesse ou concentration de contraintes
Baley, Materials Letters 2006
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Création de défauts: les procédés
Hobson 2001 J Agric Engng Res
Illustration avec du chanvre de défibrage primaire : décortication, sortie des fibres de la tige Les transformations secondaires (extrusion/injection etc…) impactent également les fibres
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3.2 Hiérarchie des facteurs ultra structuraux sur les propriétés des fibres
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Microstructure: changements locaux et brusques de l’orientation des MFA
Nœud intrafibre (fibernode) ou dislocations, compression (genoux etc…) révélées en lumière polarisée
Une fibre de chanvre
Pas de consensus sur la relation entre leur présence et rigidité/résistance des fibres (ex. réalignement des MFA pendant les essais) Mais ce sont des points d’entrée aux traitements chimiques/enzymatiques
Thygesen 2006 InduCrposProd 2006 et 2007; Nyholm 2001; Ander 2006; Placet 2012 Composites Part A
Origine externe (vent…) et biologique (adaptation, réorientation croissance)
Hypothèse: analogie avec pare-chocs, une zone de déformation qui amorti et absorbe des contraintes
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3.2 Hiérarchie des facteurs ultra structuraux sur les propriétés des fibres
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Ex: Fibre trachéide
Lucas 1997; Thomason 2012 J BiobasedMatBioenergy, Charlet 2007 composites PartA
3.3 Variations dimensionnelles/géométriques le long d’une fibre et d’un faisceau
2) Les dimensions sont elles constantes le long d’une fibres?
Difficultés expérimentales et des questions sur la représentativité des valeurs
Modèle? cercle - ellipse
3) Calcul de la section…
0
0.01
0.02
0.03
0 5 10 15 20F
ibre
Cro
ss S
ecti
on
(m
m2)
Measurement Position Along Fibre (mm)
F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7
F8 F9 F10 F11 F12 Average -Non, dispersion importante -Et variations inter espèces (Ex: Sisal> Lin)
1) structure Hélicoïdale, rectiligne, ruban…
35
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A une échelle d’organisation intermédiaire, faisceaux et fibres unitaires, une réelle difficulté est de définir les objets de façon statistique
Legland 2013 Indus Crops Products
Exemple de fibres de chanvre
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3.4 Facteurs de forme des fibres végétales des fibres
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Classification des fibres par la taille pour les secteurs d’applications
Courtes (1-5 mm) longues (5-50 mm)
37 Müssig, Ind appl of natural fibres, 2010
3.4 Facteurs de forme des fibres végétales des fibres
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c
fc
dL
2
*
Une longueur optimale serait d’environs 30*Lc (rarement atteint dans les composites) Idem avec L/D de 50
University of Connecticut; Madsen 2009 Composites Science
Longueurs et facteur de forme pour des applications de renfort
Longueur des fibres et charge Relation longueur et facteur de forme
, 38
3.4 Facteurs de forme des fibres végétales
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Summerscales 2011 J Materer Sci, Le Moigne 2011 Composites Part A, Marrot 2013 IJCP
3.5 Evolution des propriétés élastiques en fonction des caractéristiques des fibres
Propriétés dispersées et dépendantes de la morphométrie
Généralement, une distribution des diamètres de ce type
Gestion de la variabilité
39
Effet du diamètre
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Intr
insi
c To
ugh
nes
s (k
Jm–2
)
Relative Density
Influence de la densité de fibres de bois sur la ténacité
Lucas, 1997
Relation entre section de fibre de bois et ténacité
40
+ dense + tenace + épais + tenace
3.5 Evolution des propriétés élastiques en fonction des caractéristiques des fibres
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Li 2013, International Crops products
Revue des caractéristiques
-
+
Des variations majeures De nombreuses études
41
3.5 Evolution des propriétés élastiques en fonction des caractéristiques des fibres
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Marrot 2013 IJCP; Madsen 2013
42
3.5 Evolution des propriétés élastiques en fonction des caractéristiques des fibres
Emergence de traits explicatifs
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Module Spécifique Fibres de verre et de lin sont proches
1.5
43
Dispersion des performances
3.6 Comparaison avec les fibres synthétiques
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Shah J Mater Sci 2013 44
3.6 Comparaison avec les fibres synthétiques
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Shah J Mater Sci 2013
Revue des caractéristiques et Comparatif
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3.6 Comparaison avec les fibres synthétiques
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Deng et al 2012 Computational materials science
Periodic simulation boxes (a) sans H2O
3.7 Variation des propriétés en fonction des conditions d’environnement: H20
and (b) avec H20;
Courbes contrainte–déformation (compression) selon les MFA
Modèle déshydraté Modèle hydraté
Forte influence des MFA… et de la présence de molécule d’eau (pontage/mobilité moléculaire) 46
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Augmentation de l’énergie de rupture en présence d’eau
Stanzl-Tscheeg 2011 MaterialsScienceEngineering; Deng et al 2012 Computational materials science; Beaugrand JAPS 2013
Module Élastique (compression, modèles)
Influence de la teneur initiale en eau (chanvre) sur les longueurs et facteurs de formes pdt extrusion (Bivis)
47
3.7 Variation des propriétés en fonction des conditions d’environnement: H20
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3.8 Réponse mécanique et structural de fibre de bois sous contrainte
Déformation
Essai in situ traction-synchrotron
MFA décroit avec allongement
relaxation
Réorientation Glissement
Modele conceptuel
Liaisons intermoléculaires rompues puis ré-établies
48 Stanzl-Tscheeg 2011 MaterialsScienceEngineering
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Lucintel/ JEC Paris 2011 49
IV. Intérêts et perspectives industriels pour les fibres végétales
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Dimension
Plantes-Arbres
faisceaux Fibres unitaires
polymères Nanocellulose/cristaux
Composites (NFC/WPC) Construction, batiment….
Energie (thermique/ saccharification…)
Nanocomposites
Résines/polymères ‘Bio’
Papiers, carton
Synthon, chimie de specialité, cosmetique
Fibres courtes (bois) -bioraffinerie, energie, papier carton, WPC…
Les fibres longues -composites/textile/UD etc…
Hétérogénéité
Homogénéisation
Energie (thermique/ saccharification…)
Concept de la Bioraffinerie des fibres naturelles
IV. Intérêts et perspectives industriels pour les fibres végétales
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Une variabilité des propriétés des fibres qu’il est difficile de gérer Elle s’explique par ses caractéristiques morphologiques (épaisseur paroi, porosité, facteur de forme, tortuosité…), compositionnelles (teneur en cellulose cristalline, en matrice amorphe…) et surtout microstructurales (taux de cristallinité de la cellulose, MFA, quantité et nature des liaisons du réseau pariétal...) Des typologies fonctionnelles peuvent être distinguées, en fonction du degré d’évolution de l’ espèce végétale concernée: par exemple des fibres spécialisées dans le renfort existent chez certaines dicotylédones, pas chez les monocotyledones, organismes ‘moins évolués’. Ces typologies reflètent l’adaptation de ces fibres à des fonctions in planta Du point de vue ‘technologique’, on distingue les fibres longues très cellulosiques (pour textiles, préformes, composites structuraux etc…), des courtes (papier, énergie, bioraffinerie…) généralement plus lignifiées La variabilité des fibres peut s’expliquer par le degré de maturation (l’age) de la fibre, par exemple des fibres de bois juvénile possède un MFA plus grand (plus souple, s’aligne à la direction du vent) que des fibres de bois mature (moins grand), qui résiste au vent (Lindstrom 1998) Dans le cas des fibres possèdant une paroi IIaire, les propriétés vont aussi dépendre de la lignification plus ou moins avancée selon le degré de maturité, et dont l’influence sera d’autant prononcée que le MFA sera grand (Fratzl, 2004). En plus des points ci-dessus, il existe des organisations spécifiques propres à chaque fibre. C’est l’exemple des variations locales de texture (MFA, cristallinité, lignine…) (Nyholm 2001), souvent considérées comme des défauts structuraux ou des dislocations. Egalement il existe des ponctuations naturelles dans certaines fibres (dans le parenchyme…)
V. Quelques conclusions
51
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Cette présentation fait référence ou utilise des travaux des auteurs suivants :
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