EP2585627A1 - Procede de renforcement des proprietes mecaniques d'une fibre vegetale - Google Patents

Procede de renforcement des proprietes mecaniques d'une fibre vegetale

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EP2585627A1
EP2585627A1 EP11737999.0A EP11737999A EP2585627A1 EP 2585627 A1 EP2585627 A1 EP 2585627A1 EP 11737999 A EP11737999 A EP 11737999A EP 2585627 A1 EP2585627 A1 EP 2585627A1
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EP
European Patent Office
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relative humidity
fiber
plant fiber
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minutes
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EP11737999.0A
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EP2585627B1 (fr
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Vincent Placet
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Franche-Comte
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Franche-Comte
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Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Franche-Comte filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Publication of EP2585627B1 publication Critical patent/EP2585627B1/fr
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Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01B—MECHANICAL TREATMENT OF NATURAL FIBROUS OR FILAMENTARY MATERIAL TO OBTAIN FIBRES OF FILAMENTS, e.g. FOR SPINNING
    • D01B9/00—Other mechanical treatment of natural fibrous or filamentary material to obtain fibres or filaments
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01G—PRELIMINARY TREATMENT OF FIBRES, e.g. FOR SPINNING
    • D01G99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • D01G99/005—Conditioning of textile fibre during treatment before spinning

Definitions

  • the invention relates to a method for strengthening the mechanical properties of a plant fiber. More particularly, the invention relates to a method of hygro-thermo mechanical treatment to improve the mechanical properties (eg rigidity) of a plant fiber.
  • plant fibers have many advantages: renewable resources, abundant, cheap, with high specific mechanical properties ..., justifying their use in the manufacture of composites.
  • Natural fiber composites are already used in the automotive and construction industries. Other applications requiring high mechanical performance are envisaged in order to fully exploit this plant resource.
  • the mechanical performance of the composites depends on the properties of the constituents (fibers and matrix), their microstructure and the strength of the adhesion interface.
  • Vegetable fibers also have the major advantage of having a much lower density than glass fibers (1 to 1.5 against 2.5) leading to specific mechanical properties sometimes higher than those of glass fibers.
  • the applicants have successfully demonstrated that the stiffening phenomenon was partially reversible at ambient temperature and humidity.
  • the applicants observed that when mechanical tensile stresses were applied to plant fibers exposed to an environment where the humidity level was high, rigidity tended to increase sharply. They also observed that this phenomenon of rigidity was amplified as a result of a gradual decrease in the humidity rate in the immediate environment of the plant fiber. They have had the merit of developing a process which, by applying axial tensile stresses at different relative humidity levels in the air surrounding the plant fiber, further enhances the mechanical properties of the plant fibers and especially their rigidity.
  • the invention relates to a process for reinforcing the mechanical properties of a plant fiber comprising the application of axial tensile stresses on the plant fiber, the tensile stresses applied being between 1% and 70%, preferably 10% the breaking stress of the plant fiber and the relative humidity level in the air surrounding the plant fiber is initially that of ambient relative humidity (HRa), then possibly decreased to a value (HR1) d at most 20%) relative humidity, then increased to a value (HR2) of between 75% o and 100%), preferably between 80%> to 95% and very preferably to 90%> humidity relative and then decreased to a value (HR3) of at most 25%, preferably between 5% and 20% and very preferably at 10% relative humidity.
  • HRa ambient relative humidity
  • Young's modulus also called modulus of elasticity or modulus of traction
  • This Young's modulus is the constant which connects the stress of traction (or compression) and deformation for an isotropic elastic material.
  • a material whose Young's modulus is very high is said to be rigid.
  • the Young's modulus is calculated from the stress-strain curve.
  • the stress is the ratio of the axial force to the section of the specimen.
  • Deformation is the ratio of the extension to the initial length of the fiber.
  • the Young's modulus can be calculated from the stress-strain curve by three methods: linear regression, chordal method and tangent method. However, in the case of most plant fibers, it is preferable to use the tangent method. Finally, it is best to always use the same method so that the comparison of results is objective.
  • Axial tensile stresses means a tensile action that is performed on a sample (for example, a plant fiber), when the latter is fixed at one of its ends and that is pulled on the other end with a force F or when it is fixed at both ends and that one pulls on both ends with a force F.
  • Ambient relative humidity refers to the ambient relative humidity of the test rooms. It can vary according to the seasons and the times of the day if the room is not air-conditioned. The current values are between 10 and 85%, preferably between 25% and 50% and more preferably between 30% and 50% relative humidity.
  • the method of the invention is implemented for example using a DMA (Dynamic Mechanical Analysis) apparatus of the Bose brand (Electroforce 3230).
  • This DMA device uses an electromagnetic actuator to apply axial tensile stresses. These tensile stresses can be exerted either at both ends of the plant fiber, or at only one end of the plant fiber.
  • the device is also equipped with a high resolution system providing displacement control of the order of 0.1 micron and effort of 1 mN. It also makes it possible to apply the axial tensile stresses at frequencies of between 10 -4 and 200 Hz for temperatures ranging from -150 to 300 ° C.
  • This commercial apparatus may optionally be implemented with a relative humidity generator which allows to control the humidity relative to the air surrounding the plant fiber and thus allow the exposure of plant fibers to high relative humidity levels and low relative humidity levels.
  • the method according to the invention can also be implemented using a conventional testing machine with the resolutions required in displacement and effort.
  • These traditional machines are mostly electric, pneumatic or hydraulic.
  • the method according to the invention is also characterized in that the axial tensile stresses applied on the plant fiber are sinusoidal functions of time having a frequency (f) of between 10 ⁇ 4 and 200 Hz, preferably between 1 and 10 Hz. and very preferably at 1 Hz.
  • the response of the material is of the same frequency f as the bias but out of phase by an angle ⁇ with respect to the bias.
  • the application of the axial tensile stresses on the plant fiber are repeated at regular intervals.
  • the number of axial tensile stresses required according to the invention for the rigidity of the fiber to be increased to a value of 3.5 is between 1,000 and 120,000, preferably between 10,000 and 80,000 and more preferably 65,000. .
  • the relative humidity level is possibly reduced from the value HRa to the value HR1 in 1 minute at 60 minutes,
  • the relative humidity level is optionally stabilized at the HR1 value for 1 minute at 60 minutes,
  • the relative humidity level is increased from the value HRa or HR1 to the value HR2 in 1 minute to 60 minutes, that is to say that it is not essential to first reduce the rate of humidity at HR1; we can actually increase the humidity from HRa to HR2 directly; the relative humidity level is then stabilized at HR 2 for 1 minute to 60 minutes, preferably between 5 minutes and 40 minutes and more preferably for 30 minutes;
  • the relative humidity level is reduced from the HR2 value to the HR3 value in 1 minute to 60 minutes, and
  • the relative humidity is optionally stabilized at HR3 for 1 minute to 60 minutes, preferably between 5 minutes and 40 minutes and more preferably for 30 minutes. According to a particular embodiment of the method according to the invention,
  • the relative humidity level is possibly reduced from the value HRa to the value HR1 in 1 minute at 60 minutes,
  • the relative humidity level is optionally stabilized at the HR1 value for 1 minute at 60 minutes,
  • the relative humidity level is increased from the HR1 value to the HR2 value in 1 minute at 60 minutes,
  • the relative humidity level is then stabilized at HR 2 for 1 minute to 60 minutes, preferably between 5 minutes and 40 minutes and more preferably for 30 minutes,
  • the relative humidity level is reduced from the HR2 value to the HR3 value in 1 minute to 60 minutes, and
  • the relative humidity is optionally stabilized at HR3 for 1 minute to 60 minutes, preferably between 5 minutes and 40 minutes and more preferably for 30 minutes.
  • the relative humidity level is increased from the HRa value to the HR2 value in 1 minute to 60 minutes,
  • the relative humidity level is then stabilized at HR 2 for 1 minute to 60 minutes, preferably between 5 minutes and 40 minutes and more preferably for 30 minutes; the relative humidity level is reduced from the HR2 value to the HR3 value in 1 minute to 60 minutes, and
  • the relative humidity is optionally stabilized at HR3 for 1 minute to 60 minutes, preferably between 5 minutes and 40 minutes and more preferably for 30 minutes.
  • the stabilization phases HRa and / or HR1 make it possible to bring the fibers to a relative humidity at the beginning of treatment which is always identical.
  • the drying of fibers for example by the possible phase of stabilization HR3, is an important step before making the composites.
  • any treatment producing a drop in humidity in the air surrounding the plant fiber at less than 20% relative humidity can be used.
  • This decrease in relative humidity can therefore be effected for example by means of a humidity generator integrated in a DMA-type apparatus, by the use of drying salts and / or by increasing the temperature.
  • the axial tensile stresses are applied to the plant fiber for the complete duration of the process. process.
  • the application of axial tensile stresses on the plant fiber is simultaneously with the exposure of said fiber to varying conditions of relative humidity in the air surrounding the plant fiber.
  • the axial tensile stresses are applied to the plant fiber during at least one of the stages of stabilization of the relative humidity, that is to say at HRa, at HR1, HR2 or HR3, preferably HR2 and HR3.
  • the application of axial tensile stresses on the plant fiber is done before or after exposing said fiber to varying conditions of relative humidity in the air surrounding the plant fiber.
  • a typical test protocol could be: 1) stabilization of the relative humidity at a certain value before starting the application of axial tensile stresses; 2) beginning of the application of axial tensile stresses on the plant fiber; 3) stop the application of axial tensile stresses after a certain time; 4) variation of the relative humidity rate and recommencement of the application of axial tensile stresses.
  • a feature of the invention is that the method further comprises exposing the plant fiber to varying temperature conditions, said temperature conditions being between 10 ° C and 90 ° C, preferably between 15 ° C and 70 ° C. ° C and very preferably at 25 ° C.
  • the temperature during the complete duration of the process remains stable at 25 ° C.
  • the process according to the invention is characterized in that the plant fiber is derived from annual plants, preferably chosen from hemp, flax, jute, ramie and sisal. , kenaf, nettle or abaca and very preferably hemp and that it is present in the form of a unitary or elemental plant fiber, a bundle of fibers, a fiber yarn or a fiber mat.
  • plant fiber means a unit or elemental fiber, a bundle of fibers, a fiber yarn or a fiber mat
  • Unit or elemental fiber means an elongate plant cell.
  • the unit fiber is composed of a cell wall encompassing a cellular void.
  • the diameter generally varies from approximately 15 to 40 microns for a length of a few tens of mm to a few mm depending on the species considered.
  • “Bundle of fibers” means a set of 10 to 40 spindle-shaped unitary fibers with a generally polygonal cross-section and variable length.
  • An annual plant stem generally has between 30 to 40 fiber bundles arranged longitudinally (see Fig. 1);
  • Fiber yarn means a long, thin strand of unit fibers or bundles of fibers parallel to each other, more or less twisted (e) s; a “fiber mat” is an anisotropic composite structure.
  • reinforcements often called mats: 1) unidirectional (UD) which are fibers assembled parallel to each other and 2) tissues or woven which consist of perpendicular warp and weft between them, the mode of intercrossing or armor characterizing them. We distinguish classically taffeta, twill and satin.
  • 1 represents a plant fiber from the stem to the cell wall in which (1) represents a rod (a few millimeters in diameter), (2) represents a bundle of fibers (a few tens of unit fibers), (3) represents a unitary / elementary fiber of 20 to 40 micrometers in diameter comprising a cellular void (4), a primary wall (5), a mean lamella ensuring cohesion between unit fibers (6), a secondary wall (7) having SI sections, S2 and S3. Fibrils (about 0.1 ⁇ in diameter) and micro fibrils (about 100 angstrom in diameter). Finally, it is also possible to visualize the angle of about ten degrees (10) which is formed with the longitudinal axis of the fiber.
  • unit fibers can be taken manually from bundles of fibers (called the "laboratory” method), by machines (called the mechanical method - often derived from the textile industry) or by using a pectin-degrading product that ensures cohesion between unit fibers (called chemical method).
  • the process according to the invention has the major advantage of imparting reinforced mechanical properties to a material (vegetable fiber) without resorting to chemical treatment or energy-intensive processes. It is a way of exploiting the full potential of a material delivered by nature by "reshaping" its structure under the effect of physical and mechanical stresses. In addition, it is a treatment process that is quite within the reach of industry and should not cause significant additional cost compared to the level of increase in the mechanical properties of the material.
  • Another object of the invention relates to a plant fiber with improved mechanical properties that can be obtained by the process as defined according to the present invention.
  • the invention particularly relates to the use of the method as defined according to the present invention to enhance the mechanical properties of plant fibers.
  • Another object of the invention relates to a vegetable fiber with improved mechanical properties characterized in that its initial rigidity is increased by a factor greater than 1.6 in the longitudinal axis, preferably by a factor of between 2.5 and 4 and even more preferably by a factor of 3.5 (this factor being expressed thanks to the Young's modulus).
  • a factor greater than 1.6 in the longitudinal axis preferably by a factor of between 2.5 and 4 and even more preferably by a factor of 3.5 (this factor being expressed thanks to the Young's modulus).
  • Fig. 1 Schematic representation of a plant fiber from the stem to the cell wall.
  • Fig. 2 Curve representing the storage module and the loss module as a function of time during cyclic voltage stresses and variation of the humidity level at a constant temperature of 25 ° C.
  • Fig. 3 Curve representing the evolution of the length of the fiber during the test described in FIG. 2, that is to say as a function of time during cyclic voltage stresses and variation of the moisture content at a given time. constant temperature of 25 ° C.
  • the inventors have studied the influence of axial tensile stresses on the mechanical properties of a hemp fiber ⁇ Cannabis sativa L., supplied by the Chanvrière de l'Aube) in association with a variation relative humidity and constant temperature at 25 ° C. Preparation of the fibers:
  • Unit fibers of hemp are taken manually from bundles of fibers and positioned on a windowed paper frame. A dot of glue is added to each end of the fiber. The paper frame is then put into place in the anchoring jaws of the traction machine. The paper frame is then cut to apply axial tensile stresses to the fiber only.
  • the hemp fiber is then subjected to repeated axial tensile stresses and sinusoidal at a frequency of 1 Hz thanks to a DMA type device (Electroforce 3230) with built-in relative humidity generator.
  • the peak-to-peak amplitude of the applied stress is equal to about 10% of the breaking stress (ie about 50 mN peak to peak).
  • the relative humidity of the atmosphere surrounding the fiber is then increased gradually to reach a value of 90%. After a stabilization time at this level of humidity greater than 30 min, the relative humidity is then decreased to a value close to 10%, and then stabilized for more than half an hour.
  • the axial tensile stresses are repeated at regular intervals during the complete duration of the protocol and the temperature surrounding the plant fiber is kept constant at 25 ° C.
  • the viscoelastic properties are calculated from the force and displacement values measured as well as from the dimensions of the sample.
  • the diameter of the fiber is calculated from measurements made at 5 points along the fiber.
  • the deformation is calculated from the value of the displacement of the crosshead of the machine.
  • the stress, from the value of the force is of the initial section of the fiber. For the calculation of the section of the fiber, the cellular void has been neglected because of the difficulty of measuring its dimensions.
  • the storage and loss modules are calculated according to the following method.
  • the loss coefficient or loss factor, tanô (also called tangent of loss), is directly related to the viscoelastic properties and is expressed as follows:
  • the phase shift ⁇ between the stress and the deformation depends on the frequency, the temperature and the water content.
  • the storage and loss modules are expressed in Pascal (Pa) and are homogeneous at a density of energy.
  • E ' represents the stored strain energy and E "the strain energy dissipated.
  • FIG. 3 demonstrates that the length of the fiber increases substantially simultaneously with the increase in rigidity.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de renforcement des propriétés mécaniques d'une fibre végétale comprenant l'application de contraintes de traction axiales sur la fibre végétale, les contraintes de traction appliquées étant comprises entre 1% et 70%, de préférence 10% de la contrainte de rupture de la fibre végétale et le taux d'humidité relative dans l'air environnant la fibre végétale étant au départ celui de l'humidité relative ambiante (HRa), puis éventuellement diminué jusqu'à une valeur (HR1) d'au plus 20%) d'humidité relative, puis augmenté jusqu'à une valeur (HR2) comprises entre 75%o et 100%), de préférence entre 80%> à 95% et très préférentiellement à 90%> d'humidité relative et ensuite diminué jusqu'à une valeur (HR3) d'au plus 25%, de préférence entre 5% et 20% et très préférentiellement à 10% d'humidité relative. L'invention concerne également l'utilisation de ce procédé pour renforcer les propriétés mécaniques de fibres végétales et les fibres végétales susceptibles d'être obtenues par ce procédé.

Description

PROCEDE DE RENFORCEMENT DES PROPRIETES MECANIQUES D'UNE
FIBRE VEGETALE
L'invention concerne un procédé de renforcement des propriétés mécaniques d'une fibre végétale. De manière plus particulière, l'invention concerne un procédé de traitement hygro-thermo mécanique afin d'améliorer les propriétés mécaniques (par exemple la rigidité) d'une fibre végétale.
Face aux problèmes environnementaux et à la crise énergétique actuelle, les matériaux d'origine biologique sont l'objet d'un intérêt grandissant et de nombreuses investigations. Les fibres végétales présentent en particulier de nombreux atouts : ressources renouvelables, abondantes, bon marchés, aux propriétés mécaniques spécifiques élevées..., justifiant leur utilisation dans la fabrication de composites. Les composites à fibres naturelles sont déjà utilisés dans l'industrie automobile et dans le secteur de la construction. D'autres applications nécessitant des performances mécaniques élevées sont envisagées afin de valoriser pleinement cette ressource végétale. Bien sûr, les performances mécaniques des composites dépendent des propriétés des constituants (fibres et matrice), de leur microstructure et de la résistance de l'interface d'adhésion.
A l'heure actuelle, les industriels utilisent la fibre avec les propriétés mécaniques qui lui sont conférées naturellement en réalisant éventuellement un séchage afin d'éliminer l'eau contenue dans la fibre et ainsi la rendre plus rigide. Pour améliorer les propriétés mécaniques des matériaux renforcés par des fibres végétales, des traitements sont effectués pour améliorer la liaison entre la matrice et la fibre : traitements chimiques (ensimage, etc.) et physiques (traitement corona, etc.) de la fibre, utilisation de produits de compatibilisation. Ces traitements ont pour objectif d'améliorer, par la modification des propriétés de surface de la fibre (fonctionnalisation, hydrophobicité...), l'adhésion de la fibre à la matrice utilisée pour fabriquer le composite de manière à ce que la matrice soit capable de transmettre au mieux les hautes propriétés de la fibre au matériau composite. Ces traitements ne visent donc pas à améliorer les propriétés de la fibre elle-même, telles que sa rigidité et ses propriétés mécaniques.
Divers auteurs se sont appliqués à déterminer les propriétés mécaniques des fibres végétales. Il est connu que certaines fibres végétales comme le chanvre, le lin, le jute, la ramie, le sisal présentent des propriétés mécaniques extrêmement intéressantes avec un module d'Young proche de celui des fibres de verre.
Les fibres végétales présentent en outre l'avantage majeur de posséder une densité largement plus faible que les fibres de verre (1 à 1,5 contre 2,5) conduisant à des propriétés mécaniques spécifiques parfois supérieures à celles des fibres de verre.
Certains auteurs ont mis en évidence un phénomène assez surprenant chez les fibres végétales : des sollicitations répétées axiales de traction entraînent une augmentation de la rigidité de la fibre végétale (jusqu'à plus de 1,6 fois la valeur initiale). Baley a mis en évidence ce phénomène sur des fibres de lin {Composites Part A : Applied Se. and Manufacturing, vol.33 : 1, juillet 2002, pp.939-948), Silva et al. sur le sisal {Composites Se. and Technol., vol.68 : 15-16, décembre 2008, pp.3438-3443 et dans Materials Se. and Engineering, vol. 516 : l-2, août 2009, pp.90-95) et Placet sur des fibres de chanvre {Composites Part A : Applied Se. and Manufacturing, vol.40 :8, août 2009, pp.1111- 1118). Après un certain nombre de cycles, les propriétés mécaniques tendent à se stabiliser (le module d'Young atteint un plateau) laissant penser à un phénomène d'accommodation de la fibre. Diverses hypothèses ont été formulées pour expliquer ce phénomène, la plus probable s 'appuyant sur la réorientation des micro fibrilles constituant la paroi cellulaire des fibres végétales. Effectivement, ces microfibrilles seraient initialement enroulées en spirales avec un angle (AMF) d'une dizaine de degrés par rapport à l'axe de la fibre (Fig. l), les sollicitations mécaniques répétées dans l'axe conduisant à une diminution de cet angle et au redressement des fibres. Diverses méthodes existent dans la littérature pour mesurer l'Angle des MicroFibrilles (AMF). Ces méthodes reposent sur différentes techniques telles que : la lumière polarisée (R.D. Preston, The molecular architecture of plant cell walls, Wiley & Sons, New- York, 1988 ; J.W. Cousins, Measurement of mean microfibril angles of wood tracheids, Wood Sci & Tech 6(1) (1972) 58), la coloration à l'iode (I. W. Bailey, M. R. Vestal, The orientation of cellulose in the secondary wall of tracheary cells, J. Arnole Arboretum 18(3) (1937) 185-195; J.F. Senft, B.A. Bendtsen, Measuring microfïbrillar angles using light microscopy, Wood and Fiber Sci 17(4) (1985) 564-567), le traitement par ultrasons (CL. Huang, Revealing fïbril angle in wood sections by ultrasonic treatment, Wood and Fiber Science 27(1) (1995) 49-54), orifice de ponctuation (M.Y. Pilow, B.Z. Terrell, C. H. Hiller, Patterns of variation in fïbril angles in loblolly pine, USDA Serv. Forest Prod. Lab. Rep. D1935, 31p.). Une autre technique, celle de la diffraction des rayons X, permet de balayer un grand nombre de fibres. Elle donne également une meilleure représentation de l'AMF sur l'intégralité de la paroi cellulaire. Enfin, la technique de diffraction des rayons X aux grands angles (WAXS) ne requiert aucune préparation de l'échantillon, permettant ainsi aux fibres de demeurer au plus près de leur état naturel.
Evidemment, ce phénomène de rigidification de la fibre sous l'effet de la contrainte pourrait représenter un point extrêmement intéressant pour une utilisation comme renfort dans des composites à matrice organique.
Par ailleurs, il est connu que contrairement aux fibres synthétiques classiques (carbone, verre...), le comportement des fibres végétales dépend étroitement de la température et de l'humidité. Toutefois, l'influence de l'humidité sur les propriétés mécaniques est peu étudiée dans la littérature et constitue un champ de recherches complètement ouvert.
Il est connu que pour les matériaux d'origine végétale, l'eau joue généralement un rôle de plastifiant et qu'en absence de sollicitations mécaniques de traction, la rigidité (exprimée grâce au module d'Young ou module d'élasticité) d'une fibre végétale a tendance à diminuer lorsque le taux d'humidité augmente. Toutefois, à la connaissance des demandeurs, rien ne permettait à l'homme du métier de présager qu'une amélioration importante des propriétés mécaniques, notamment la rigidité, des fibres végétales puisse être obtenue par l'exposition de la fibre à des sollicitations mécaniques de traction associées à des conditions variables du taux d'humidité relative (et en outre à des conditions variables de température).
Dans le cadre de leurs recherches, les demandeurs ont réussi à démontrer que le phénomène de rigidification était partiellement réversible à température et humidité ambiantes. Ainsi de façon tout à fait inattendue, les demandeurs ont observé que lorsque des sollicitations mécaniques de traction étaient appliquées sur des fibres végétales exposées à un environnement où le taux d'humidité est élevé, la rigidité avait tendance à augmenter fortement. Ils ont également observé que ce phénomène de rigidité était amplifié à la suite d'une baisse progressive du taux d'humidité dans l'environnement immédiat de la fibre végétale. Ils ont ainsi eu le mérite de mettre au point un procédé qui, par l'application de contraintes de traction axiales à différents taux d'humidité relative dans l'air environnant la fibre végétale, permet de renforcer davantage les propriétés mécaniques des fibres végétales et notamment leur rigidité.
Ainsi l'invention porte sur un procédé de renforcement des propriétés mécaniques d'une fibre végétale comprenant l'application de contraintes de traction axiales sur la fibre végétale, les contraintes de traction appliquées étant comprises entre 1% et 70%, de préférence 10% de la contrainte de rupture de la fibre végétale et le taux d'humidité relative dans l'air environnant la fibre végétale étant au départ celui de l'humidité relative ambiante (HRa), puis éventuellement diminué jusqu'à une valeur (HR1) d'au plus 20%) d'humidité relative, puis augmenté jusqu'à une valeur (HR2) comprises entre 75%o et 100%), de préférence entre 80%> à 95% et très préférentiellement à 90%> d'humidité relative et ensuite diminué jusqu'à une valeur (HR3) d'au plus 25%, de préférence entre 5% et 20% et très préférentiellement à 10% d'humidité relative.
Dans le cadre de la présente invention :
- « renforcement des propriétés mécaniques » s'entend de la rigidité exprimé grâce au module d'Young. Ce module d'Young (dit également module d'élasticité ou module de traction) est la constante qui relie la contrainte de traction (ou de compression) et la déformation pour un matériau élastique isotrope. Un matériau dont le module de Young est très élevé est dit rigide. Expérimentalement, lors d'un essai de traction, le module d'Young est calculé à partir de la courbe contrainte-déformation. La contrainte est le rapport de la force axiale sur la section de l'éprouvette. La déformation est le ratio de l'extension sur la longueur initiale de la fibre. Le module d'Young peut être calculé à partir de la courbe contrainte-déformation par trois méthodes : régression linéaire, méthode de la corde et méthode de la tangente. Toutefois dans le cas de la plupart des fibres végétales, il est préférable d'utiliser la méthode de la tangente. Enfin, il est préférable de toujours utiliser la même méthode de manière à ce que la comparaison des résultats soit objective.
« contraintes de traction axiales » s'entend d'une traction qui est réalisée sur un échantillon (par exemple, une fibre végétale), lorsque celui-ci est fixe à l'une des ses extrémités et que l'on tire sur l'autre extrémité avec une force F ou lorsque celui-ci est fixe aux deux extrémités et que l'on tire sur les deux extrémités avec une force F.
« humidité relative ambiante » s'entend de l'humidité relative ambiante des salles d'essais. Elle peut varier selon les saisons et les moments de la journée si la salle n'est pas climatisée. Les valeurs courantes se situent entre 10 et 85%, de préférence entre 25% et 50% et plus préférentiellement entre 30% et 50% d'humidité relative.
Le procédé de l'invention est mis en œuvre par exemple à l'aide d'un appareil DMA (Dynamic Mechanical Analysis) de la marque Bose (Electroforce 3230). Cet appareil DMA utilise un actionneur électromagnétique pour appliquer des contraintes de traction axiale. Ces contraintes de traction peuvent être exercées soit aux deux extrémités de la fibre végétale, soit à seulement l'une des extrémités de la fibre végétale. L'appareil est également doté d'un système de haute résolution assurant un contrôle en déplacement de l'ordre de 0,1 micron et en effort de 1 mN. Il permet également d'appliquer les contraintes de traction axiales à des fréquences comprises entre 10"4 et 200 Hz pour des températures variant de -150 à 300°C. Cet appareil commercial peut éventuellement être implémenté d'un générateur d'humidité relative qui permet de contrôler l'humidité relative de l'air environnant la fibre végétale et ainsi permettre l'exposition des fibres végétales à des taux d'humidité relative élevée et à des taux d'humidité relative basse.
Par ailleurs, le procédé selon l'invention peut également être mis en œuvre à l'aide d'une machine d'essais traditionnelle dotée des résolutions requises en déplacement et en effort. Ces machines traditionnelles sont le plus souvent électriques, pneumatiques ou hydrauliques.
Le procédé selon l'invention est également caractérisé en ce que les contraintes de traction axiales appliquées sur la fibre végétale sont des fonctions sinusoïdales du temps possédant une fréquence (f) comprise entre 10~4 et 200 Hz, de préférence entre 1 à 10 Hz et très préférentiellement à 1 Hz. La réponse du matériau est de la même fréquence f que la sollicitation mais déphasée d'un angle δ par rapport à la sollicitation. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'application des contraintes de traction axiales sur la fibre végétale sont répétées à intervalles réguliers.
Typiquement, le nombre de contraintes de traction axiales requises selon l'invention pour que la rigidité de la fibre soit augmentée à une valeur de 3.5 est compris entre 1 000 et 120 000, de préférence entre 10 000 et 80 000 et plus préférentiellement 65 000.
Selon un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention,
- le taux d'humidité relative est éventuellement diminué de la valeur HRa à la valeur HR1 en 1 minute à 60 minutes,
- le taux d'humidité relative est éventuellement stabilisé à la valeur HR1 pendant 1 minute à 60 minutes,
- le taux d'humidité relative est augmenté de la valeur HRa ou HR1 à la valeur HR2 en 1 minute à 60 minutes, c'est-à-dire qu'il n'est pas essentiel de d'abord diminuer le taux d'humidité à la valeur HR1 ; on peut effectivement augmenter le taux d'humidité de HRa à HR2 directement; - le taux d'humidité relative est ensuite stabilisé à HR2 pendant 1 minute à 60 minutes, de préférence entre 5 minutes et 40 minutes et plus préférentiellement pendant 30 minutes ;
- le taux d'humidité relative est diminué de la valeur HR2 à la valeur HR3 en 1 minute à 60 minutes, et
- le taux d'humidité relative est éventuellement stabilisé à HR3 pendant 1 minute à 60 minutes, de préférence entre 5 minutes et 40 minutes et plus préférentiellement pendant 30 minutes. Selon un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention,
- le taux d'humidité relative est éventuellement diminué de la valeur HRa à la valeur HRl en 1 minute à 60 minutes,
- le taux d'humidité relative est éventuellement stabilisé à la valeur HRl pendant 1 minute à 60 minutes,
- le taux d'humidité relative est augmenté de la valeur HRl à la valeur HR2 en 1 minute à 60 minutes,
- le taux d'humidité relative est ensuite stabilisé à HR2 pendant 1 minute à 60 minutes, de préférence entre 5 minutes et 40 minutes et plus préférentiellement pendant 30 minutes,
- le taux d'humidité relative est diminué de la valeur HR2 à la valeur HR3 en 1 minute à 60 minutes, et
- le taux d'humidité relative est éventuellement stabilisé à HR3 pendant 1 minute à 60 minutes, de préférence entre 5 minutes et 40 minutes et plus préférentiellement pendant 30 minutes.
Selon un autre mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention,
- le taux d'humidité relative est augmenté de la valeur HRa à la valeur HR2 en 1 minute à 60 minutes,
- le taux d'humidité relative est ensuite stabilisé à HR2 pendant 1 minute à 60 minutes, de préférence entre 5 minutes et 40 minutes et plus préférentiellement pendant 30 minutes ; - le taux d'humidité relative est diminué de la valeur HR2 à la valeur HR3 en 1 minute à 60 minutes, et
- le taux d'humidité relative est éventuellement stabilisé à HR3 pendant 1 minute à 60 minutes, de préférence entre 5 minutes et 40 minutes et plus préférentiellement pendant 30 minutes.
Puisque les fibres végétales peuvent être stockées dans des pièces ou récipients dans lesquels l'humidité est variable, les phases de stabilisation HRa et/ou HR1 permettent d'amener les fibres à une humidité relative de début de traitement qui est toujours identique. Par ailleurs, puisque la présence d'eau et en particulier l'évaporation de l'eau contenue dans les fibres lors d'une phase de chauffage au moment de la fabrication du composite engendre souvent une diminution des propriétés mécaniques du composite, le séchage des fibres, par exemple par l'éventuelle phase de stabilisation HR3, est une étape importante avant la réalisation des composites.
Dans le cadre de la présente invention, tout traitement produisant une baisse d'humidité dans l'air environnant la fibre végétale à moins de 20% d'humidité relative peut être utilisé. Cette baisse d'humidité relative peut donc s'effectuer par exemple à l'aide d'un générateur d'humidité intégré à un appareil de type DMA, par l'utilisation de sels dessiccateurs et/ou par l'augmentation de la température.
De façon générale, il a été observé que si la teneur en eau de la fibre végétale ou l'humidité environnant la fibre végétale est élevée, alors on remarque une augmentation de la rigidité de la fibre végétale. Sans vouloir être tenu à une hypothèse définitive, les demandeurs soumettent que l'eau pourrait jouer le rôle d'un activateur du phénomène d'accommodation. L'intégration de macromolécules d'eau dans la structure macromoléculaire de la paroi végétale pourrait ainsi faciliter et accélérer les réorientations dans l'axe des micro fibrilles et ainsi augmenter la rigidité de la fibre (par exemple à la phase HR2).
Selon un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention, les contraintes de traction axiales sont appliquées sur la fibre végétale pendant la durée complète du procédé. Par exemple, l'application de contraintes de traction axiales sur la fibre végétale se fait de manière simultanée à l'exposition de ladite fibre à des conditions variables d'humidité relative dans l'air environnant la fibre végétale. Selon un autre mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention, les contraintes de traction axiales sont appliquées sur la fibre végétale pendant au moins une des phases de stabilisation de l'humidité relative, c'est-à-dire à HRa, à HR1, à HR2 ou à HR3, de préférence à HR2 et à HR3. Par exemple, l'application de contraintes de traction axiales sur la fibre végétale se fait avant ou après avoir exposé ladite fibre à des conditions variables d'humidité relative dans l'air environnant la fibre végétale. Un protocole d'essai type pourrait être le suivant : 1) stabilisation de l'humidité relative à une certaine valeur avant de débuter l'application des contraintes de traction axiales ; 2) début de l'application des contraintes de traction axiales sur la fibre végétale ; 3) arrêt de l'application des contraintes de traction axiales au bout d'un certain temps ; 4) variation du taux d'humidité relative et recommencement de l'application des contraintes de traction axiales.
Une caractéristique de l'invention est que le procédé comprend en outre l'exposition de la fibre végétale à des conditions de température variables, lesdites conditions de température étant comprises entre 10°C et 90°C, de préférence entre 15°C et 70°C et très préférentiellement à 25°C.
De façon générale, lorsque la température ambiante est augmentée, ceci accélère le processus de rigidification de la fibre végétale.
Dans un mode de réalisation particulière, la température pendant la durée complète du procédé reste stable à 25°C.
Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que la fibre végétale est issue de plantes annuelles, de préférence choisies parmi le chanvre, le lin, le jute, la ramie, le sisal, le kénaf, l'ortie ou l'abaca et très préférentiellement le chanvre et qu'elle est présente sous forme d'une fibre végétale unitaire ou élémentaire, d'un faisceau de fibres, d'un fil de fibres ou d'un mat de fibres.
Dans le cadre de la présente invention :
- « fibre végétale » s'entend d'une fibre unitaire ou élémentaire, un faisceau de fibres, un fil de fibres ou un mat de fibres ;
« fibre unitaire ou élémentaire » signifie une cellule végétale allongée. La fibre unitaire est composée d'une paroi cellulaire englobant un vide cellulaire. Le diamètre varie généralement d'environ 15 à 40 microns pour une longueur de quelques dizaines de mm à quelques mm en fonction des espèces considérées
(voir Fig.l) ;
« faisceau de fibres » signifie un ensemble de 10 à 40 fibres unitaires en forme de fuseau à section généralement polygonale et de longueur variable. Une tige de plante annuelle comporte généralement entre 30 à 40 faisceaux de fibres disposés longitudinalement (voir Fig.l) ;
« fil de fibres » signifie un brin long et fin de fibres unitaires ou faisceaux de fibres parallèles les un(e)s par rapport aux autres, plus ou moins torsadé(e)s ; un « mat de fibres » est une structure composite anisotrope. Il existe différentes géométries et textures de renforts, souvent appelé mats : 1) les unidirectionnels (UD) qui sont des fibres assemblés parallèlement les unes par rapport aux autres et 2) les tissus ou tissés qui se composent de fils de chaîne et de trame perpendiculaires entre eux, le mode d'entrecroisement ou armure les caractérisant. On distingue classiquement les taffetas, sergé et satin. La figure 1 représente une fibre végétale de la tige à la paroi cellulaire dans laquelle (1) représente une tige (quelques millimètres de diamètre), (2) représente un faisceau de fibres (quelques dizaines de fibres unitaires), (3) représente une fibre unitaire/élémentaire de 20 à 40 micromètres de diamètre comprenant un vide cellulaire (4), une paroi primaire (5), une lamelle moyenne assurant la cohésion entre fibres unitaires (6), une paroi secondaire (7) comportant des sections SI, S2 et S3. On peut également visualiser sur cette figure les fibrilles (environ 0,1 μιη de diamètre) et des micro fibrilles (environ 100 angstrôm de diamètre). Enfin, on peut également visualiser l'angle d'une dizaine de degré (10) qui est formé avec l'axe longitudinal de la fibre.
Les techniques pour préparer ces différents types de fibres sont connues par l'homme du métier. Par exemple, des fibres unitaires peuvent être prélevés manuellement à partir de faisceaux de fibres (dite méthode « laboratoire »), par des machines (dite méthode mécanique - souvent dérivée de l'industrie textile) ou en utilisant une produit dégradant les pectines qui assurent la cohésion entre fibres unitaires (dite méthode chimique). Le procédé selon l'invention présente l'avantage majeur de conférer des propriétés mécaniques renforcées à un matériau (fibre végétale) sans avoir recours à un traitement chimique ni à des procédés gourmands en énergie. C'est une manière d'exploiter toute la potentialité d'un matériau délivré par la nature en « remodelant » sa structure sous l'effet de sollicitations physiques et mécaniques. En outre, c'est un procédé de traitement qui est tout à fait à la portée des industriels et qui ne devrait pas entraîner de surcoût important en regard du niveau d'augmentation des propriétés mécaniques du matériau.
Un autre objet de l'invention concerne une fibre végétale à propriétés mécaniques améliorées susceptible d'être obtenue par le procédé tel que défini selon la présente invention.
Dans un autre aspect, l'invention concerne tout particulièrement l'utilisation du procédé tel que défini selon la présente invention pour renforcer les propriétés mécaniques de fibres végétales.
Un autre objet de l'invention concerne une fibre végétale à propriétés mécaniques améliorées caractérisée en ce que sa rigidité initiale est augmentée d'un facteur supérieur à 1,6 dans l'axe longitudinal, de préférence d'un facteur compris entre 2,5 et 4 et encore plus préférentiellement d'un facteur de 3,5 (ce facteur étant exprimé grâce au module d'Young). D'autres aspects et avantages de la présente invention sont décrits dans les figures et exemples suivants, qui doivent être considérés à titre illustratif et comme ne limitant pas la portée de l'invention. FIGURES
Fig. 1 : Représentation schématique d'une fibre végétale de la tige à la paroi cellulaire. Fig. 2 : Courbe représentant le module de stockage et le module de perte en fonction du temps lors de sollicitations cycliques en tension et de variation du taux d'humidité à une température constante de 25°C.
Fig. 3 : Courbe représentant l'évolution de la longueur de la fibre pendant l'essai décrit sur la figure 2, c'est-à-dire en fonction du temps lors de sollicitations cycliques en tension et de variation du taux d'humidité à une température constante de 25°C.
EXEMPLES
Dans le cadre de la présente invention, les inventeurs ont étudié l'influence de contraintes de traction axiales sur les propriétés mécaniques d'une fibre de chanvre {Cannabis sativa L., approvisionnée par la Chanvrière de l'Aube) en association à une variation du taux d'humidité relative et à température constante à 25°C. Préparation des fibres :
Des fibres unitaires de chanvre sont prélevées manuellement à partir de faisceaux de fibres et positionnées sur un cadre en papier fenêtré. Un point de colle est ajouté à chaque extrémité de la fibre. Le cadre papier est ensuite mis en place dans les mors d'ancrage de la machine de traction. Le cadre papier est ensuite sectionné afin d'appliquer des contraintes de traction axiales à la fibre uniquement.
Applications des contraintes de traction axiales :
La fibre de chanvre est ensuite soumise à des contraintes de traction axiales répétées et sinusoïdale à une fréquence de 1 Hz grâce à un appareil de type DMA (Electroforce 3230) avec générateur d'humidité relative intégré. L'amplitude pic à pic de la contrainte appliquée est égale à environ 10% de la contrainte à rupture (soit environ 50 mN pic à pic). L'humidité relative de l'atmosphère environnant la fibre est alors augmentée progressivement pour atteindre une valeur de 90%. Après un temps de stabilisation à ce niveau d'humidité supérieur à 30 min, l'humidité relative est alors diminuée jusqu'à une valeur proche de 10%, puis stabilisée pendant plus d'une demi- heure. Les contraintes de traction axiales sont répétées à intervalles réguliers durant la durée complète du protocole et la température environnant la fibre végétale est maintenue constante à 25°C.
Mesure des propriétés viscoélastiques :
Les propriétés viscoélastiques sont calculées à partir des valeurs de force et de déplacement mesurées ainsi qu'à partir des dimensions de l'échantillon. Le diamètre de la fibre est calculé à partir de mesures effectuées en 5 points le long de la fibre. La déformation est calculée à partir de la valeur du déplacement de la traverse de la machine. La contrainte, à partir de la valeur de la force est de la section initiale de la fibre. Pour le calcul de la section de la fibre, le vide cellulaire a été négligé du fait de la difficulté de mesurer ses dimensions.
Les modules de stockage et de perte sont calculés selon la méthode suivante.
D'une manière générale, pour déterminer le comportement rhéologique d'un matériau, il est nécessaire d'établir à chaque instant une relation entre l'état de contrainte σ et l'état de déformation ε. Or contraintes et déformations sont des grandeurs locales. En pratique, on impose des efforts et l'on mesure des déplacements ou inversement. Le passage de l'information globale (force, déplacement) à l'information locale (contrainte, déformation) se fait moyennant certaines approximations qui dépendent du mode de déformation et de la géométrie de l'échantillon.
La particularité des essais harmoniques réside dans le fait qu'efforts et déplacements sont des fonctions sinusoïdales du temps qui possèdent la même fréquence f mais qui sont déphasées d'un angle δ l'une par rapport à l'autre. La contrainte et la déformation sont également des fonctions sinusoïdales du temps de même fréquence f et qui présenteront le même déphasage δ entre elles. En régime établi, la déformation et la contrainte représentent respectivement la partie réelle des fonctions complexes ε* et σ*.
avec ω la pulsation et a la phase.
Par analogie avec la loi de Hooke dans une direction donnée, il est possible d'écrire la relation suivante : σ
E — EQejS avec S = x - a2 et E0 =—
ε0
A partir des mesures de δ et E0, il est possible de calculer le module de stockage (Ε') et le module de perte (E") (« j » parfois noté « i » est l'unité imaginaire des nombres complexes).
Le coefficient de perte ou facteur de perte, tanô (encore appelé tangente de perte), est directement relié aux propriétés viscoélastiques et s'exprime comme suit :
Dans le cas des matériaux issus de la biomasse, tels que des fibres végétales selon l'invention, le déphasage δ entre la contrainte et la déformation dépend de la fréquence, de la température et de la teneur en eau.
Les modules de stockage et de perte s'expriment en Pascal (Pa) et sont homogènes à une densité volumique d'énergie. Lorsque l'on soumet un échantillon de volume unité à un test mécanique, E' représente l'énergie de déformation stockée et E" l'énergie de déformation dissipée.
Résultats :
Les résultats sont reportés sur la figure 2 et démontrent:
-qu'une baisse de l'humidité relative (entre 95 et 150 minutes) des fibres entraine une augmentation de la rigidité de la fibre. En effet une diminution de la teneur en eau entraîne généralement une augmentation du module d'élasticité (ces données correspondent aux enseignements de l'art antérieur)
-que par la suite une augmentation du taux d'humidité (entre environ 150 et 160 minutes) entraine dans un premier temps une chute de la rigidité ; -que par contre, si des sollicitations mécaniques de traction sont appliquées lors d'une phase d'humidification (entre 160 à 215 minutes), la rigidité de la fibre (après une légère chute) tend à augmenter très fortement ;
-qu'une baisse du taux d'humidité dans l'air environnant la fibre (entre 215 et 225 minutes) suite à cette phase d'humidification, entraîne à nouveau une forte augmentation de la rigidité de la fibre et bloque la fibre dans cette configuration. La rigidité de la fibre mesurée par le module d'Young est ainsi améliorée d'un facteur 3,5 et la capacité d'amortissement s'en trouve amoindrie. Par ailleurs, la figure 3 démontre que la longueur de la fibre augmente sensiblement simultanément à l'augmentation de rigidité.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de renforcement des propriétés mécaniques d'une fibre végétale comprenant l'application de contraintes de traction axiales sur la fibre végétale, les contraintes de traction appliquées étant comprises entre 1% et 70%, de préférence 10%> de la contrainte de rupture de la fibre végétale et le taux d'humidité relative dans l'air environnant la fibre végétale étant au départ celui de l'humidité relative ambiante (HRa), puis éventuellement diminué jusqu'à une valeur (HR1) d'au plus 20%> d'humidité relative, puis augmenté jusqu'à une valeur (HR2) comprises entre 75% et 100%), de préférence entre 80%> à 95% et très préférentiellement à 90%> d'humidité relative et ensuite diminué jusqu'à une valeur (HR3) d'au plus 25%, de préférence entre 5% et 20% et très préférentiellement à 10% d'humidité relative.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les contraintes de traction axiales sont répétées à intervalles réguliers.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les contraintes de traction axiales appliquées sur la fibre végétale sont des fonctions sinusoïdales du temps possédant une fréquence (f) comprise entre 10"4 et 200 Hz, de préférence entre 1 à 10 Hz et très préférentiellement à 1 Hz.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que
- le taux d'humidité relative est éventuellement diminué de la valeur HRa à la valeur HR1 en 1 minute à 60 minutes,
- le taux d'humidité relative est éventuellement stabilisé à la valeur HR1 pendant 1 minute à 60 minutes,
- le taux d'humidité relative est augmenté de la valeur HRa ou HR1 à la valeur HR2 en 1 minute à 60 minutes,
- le taux d'humidité relative est ensuite stabilisé à HR2 pendant 1 minute à 60 minutes,
- le taux d'humidité relative est diminué de la valeur HR2 à la valeur HR3 en 1 minute à 60 minutes, et - le taux d'humidité relative est éventuellement stabilisé à HR3 pendant 1 minute à 60 minutes.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les contraintes de traction axiales sont appliquées sur la fibre végétale pendant la durée complète du procédé.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les contraintes de traction axiales sont appliquées sur la fibre végétale pendant au moins une des phases de stabilisation de l'humidité relative, c'est-à-dire à HRa, à HR1, à HR2 ou à HR3, de préférence à HR2 et à HR3.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la fibre végétale est exposée à des conditions variables de température, lesdites conditions de température étant comprises entre 10°C et 90°C, de préférence entre 15°C et 70°C et très préférentiellement à 25°C.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la fibre végétale est issue de plantes annuelles, de préférence choisies parmi le chanvre, le lin, le jute, la ramie, le sisal, le kénaf, l'ortie ou l'abaca et très préférentiellement le chanvre et qu'elle est présente sous forme d'une fibre végétale unitaire ou élémentaire, d'un faisceau de fibres, d'un fil de fibres ou d'un mat de fibres.
9. Fibre végétale à propriétés mécaniques améliorées susceptible d'être obtenue par le procédé tel que défini aux revendications 1 à 8.
10. Utilisation du procédé tel que défini aux revendications 1 à 8 pour renforcer les propriétés mécaniques d'une fibre végétale.
11. Fibre végétale à propriétés mécaniques améliorées caractérisée en ce que sa rigidité initiale est augmentée d'un facteur supérieur à 1,6 dans l'axe longitudinal, de préférence d'un facteur compris entre 2,5 et 4 et encore plus préférentiellement d'un facteur de 3,5.
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