Ghane Moradkhani 1,2,3,4, Jacopo Profili 4, Alex Destrieux 4, Mathieu Robert 1,2,3, Gaétan Laroche 3,4, Said Elkoun 1,2,3, Frej Mighri 2,5, Pascal Y. Vuillaume 2,6
1 Carrefour d’innovation en technologies écologiques (CITE) – Université de Sherbrooke
2 Centre de recherche sur les systèmes polymères et composites à haute performance (CREPEC)
3 Centre québécois sur les matériaux fonctionnels (CQMF)
4 Centre de Recherche du Centre Hospitalier Universitaire de Québec, Hôpital St-François d’Assise
5 Département de génie chimique, université Laval
6 COALIA
Années de réalisation : 2022-2023
Face aux exigences environnementales de plus en plus strictes et à la raréfaction des ressources naturelles, il demeure crucial de développer de nouveaux matériaux plus verts pour la conception des produits. Les biocomposites représentent alors une avenue intéressante ; ces matériaux étant constitués d’une matrice organique biosourcée ou biodégradable (biopolymère) et d’un biorenfort tel que les fibres naturelles.
Développer des biocomposites à base de fibres de lin
Grâce à leurs propriétés renouvelables et biodégradables et à leurs caractéristiques mécaniques, les fibres naturelles sont de plus en plus prisées dans les secteurs de l’automobile et de la construction. En l’occurrence, les fibres courtes de lin se sont révélées être des matériaux prometteurs pour renforcer les matrices polymères, et ce en raison de leur résistance mécanique et leur légèreté. Toutefois, et dans la majorité des cas, l’utilisation des fibres de lin est limitée par leur caractère hydrophile et leur faible résistance à l’humidité. Un traitement ou une modification de surface est donc indispensable afin d’améliorer l’adhésion à l’interface biopolymère/fibres de lin.
Améliorer l’adhésion des fibres de lin à une matrice de PLA
Les techniques les plus utilisées pour la modification de surface des biorenforts tels que les fibres de lin font appel à des méthodes chimiques (e.g. traitements à la soude, aux silanes, à l’acide acétique), physiques (e.g. traitements corona ou plasma froid) ou biologiques (e.g. traitement enzymatique). Toutes ces techniques de modification permettent le greffage à la surface des renforts d’un agent de couplage tels que des monomères cycliques (e.g. e-caprolactone ou lactide promoteur de l’acide lactique) ou des chaînes macromoléculaires courtes. L’inconvénient majeur des voies chimiques est l’utilisation de solvants ou produits chimiques toxiques pour l’homme et l’environnement. En revanche, les techniques physiques, telles que le plasma par décharge diélectrique, permettent de fonctionnaliser la surface des fibres sans avoir recours à ces substances chimiques toxiques ou néfastes.
L’objectif de cette étude vise à améliorer l’adhésion entre les fibres courtes de lin et une matrice PLA. La première étape consiste à fonctionnaliser la surface des fibres en procédant à un prétraitement par immersion des fibres de lin dans une solution d’alginate, biopolymère soluble dans l’eau et issu d’algues. La seconde étape porte sur un traitement au plasma afin de greffer des chaînes d’alginate à la surface des fibres de lin.
Toutefois, nos incertitudes reposent sur :
– L’effet des paramètres du réacteur plasma (tension de décharge ou DC, fréquence et voltage) pour assurer : 1) l’intégrité des fibres tout en améliorant leurs propriétés de surface, 2) les propriétés mécaniques du composite et sa stabilité thermique.
– La répétabilité du traitement au plasma sachant que les fibres de lin peuvent présenter des caractéristiques physiques variables dépendamment des conditions de culture (épaisseur, densité de lissage). De plus, leur nature diélectrique peut affecter l’uniformité du traitement par plasma à travers la fibre.
Des technologies de pointe et une large expertise au service du développement de matériaux
Afin de comprendre les transformations induites par les traitements (chimiques, microstructurales, mécaniques, thermiques) sur les fibres de lin et le composite, différentes techniques d’analyses ont été utilisées :
● Spectrométrie par émission optique (OES)
● Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
● Spectrométrie photoélectronique de rayons X (XPS)
● Microscopie électronique à balayage (SEM)
● Calorimétrie différentielle à balayage (DSC)
● Analyse Mécanique Dynamique (DMA)
Vers des matériaux durables pour diverses industries et le secteur de la construction
Cette étude a démontré que le prétraitement à base d’eau et d’alginate ainsi que le traitement au plasma à une intensité de 30% permet de préserver l’intégrité des fibres courtes de lin tout en améliorant de manière significative ses caractéristiques de surface ainsi que le potentiel d’adhésion du matériau et les propriétés mécaniques et thermiques du composite.
Cette approche démontre donc une avancée significative dans le domaine des matériaux composites durables. La nature écologique des traitements de surface explorés dans cette étude est en accord avec l’accent croissant mis sur la durabilité environnementale à l’échelle mondiale. Les implications pratiques de ces découvertes sont vastes, avec des applications potentielles dans des industries telles que l’automobile, l’aérospatiale et la construction. Les améliorations des propriétés mécaniques et thermiques des éco-composites pourraient conduire à leur adoption en tant qu’alternatives viables aux matériaux conventionnels, contribuant ainsi à la réduction des empreintes carbone.
Vous souhaitez en apprendre davantage ? Consultez notre publication dans le Journal of Composites Science.