Valorisation des résidus végétaux de lin pour la fabrication de composites biosourcés dédiés à des applications d'enveloppe dans le bâtiment

par Amélie Arnoult

Projet de thèse en Sciences de l'ingénieur

Sous la direction de Laetitia Van-schoors et de Fabienne Farcas.

Thèses en préparation à Paris Est en cotutelle avec l'Université de Sherbrooke , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec CPDM - Comportement physico-chimique et durabilité des matériaux (laboratoire) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Afin de mener cette étude, la démarche suivante est envisagée : 1. Etat des lieux des besoins en composites biosourcés, sélection des résidus végétaux lin et de la matrice polymère recyclé Sachant que la construction est un secteur demandeur en composites, mais avec de longues procédures de qualification des matériaux, un état des lieux de ses différents besoins pourra dans un premier temps être effectué afin de pouvoir établir l'écart entre les performances actuelles et les performances requises des composites biosourcés. Cela permettra de pouvoir mettre en place plus facilement des voies d'amélioration dans la suite du projet. Les différentes matrices polymère recyclé envisageables et les différents types de résidus végétaux de lin disponibles seront recensées. Les résidus dont les volumes disponibles sont les plus élevés, et les matrices pour lesquelles les propriétés structurales et la compatibilité avec les renforts en lin semblent optimales seront retenues. Le procédé de fabrication du composite sera également étudié et optimisé pour atteindre les performances visées. Sur cette base les composites de l'étude seront mis en œuvre. 2. Caractérisation de la matrice et des résidus végétaux, et mise en place de protocoles de vieillissement accélérés Dans cette seconde étape, la matrice polymère recyclé et les résidus de lin sélectionnées seront macroscopiquement et microscopiquement caractérisées afin de permettre l'optimisation de leur comportement à court terme. Des protocoles de vieillissement accélérés représentatifs des conditions d'utilisation de ces matériaux composites seront mis en place afin de pouvoir observer et de comprendre l'évolution de leurs performances dans le temps. Pour cela, il sera nécessaire de fixer des cycles en contrôlant l'humidité, la lumière, la température, le développement de moisissures, le rayonnement UV, mais aussi le taux d'usure appliqué. En parallèle, des vieillissements in situ seront également effectués. 3. Suivi des propriétés des matériaux pendant le vieillissement des composites biosourcés Pendant le vieillissement accéléré en laboratoire et in situ, il est nécessaire d'avoir recourt à une approche pluridisciplinaire et multi-échelle afin de comprendre l'évolution des propriétés des composites. • A l'échelle macroscopique : Suivant l'application envisagée dans le bâtiment, le caractère isolant thermique et phonique, mais aussi la résistance à la flexion et aux impacts du matériau composite doivent être garantis. Pour ce faire, la conductivité thermique, le coefficient d'absorption acoustique, et les propriétés mécaniques des composites seront mesurées avant et pendant le vieillissement. • A l'échelle microscopique : Une étude microscopique permettra de mettre en évidence la modification éventuelle des propriétés chimiques, physico-chimiques et microstructurales des composites, et ainsi de comprendre l'évolution des propriétés macroscopiques des matériaux pendant le vieillissement. • Etude biologique : En présence de conditions d'utilisation humides, il est possible que des moisissures se développement dans le composite biosourcé, engendrant par suite sa biodégradation. Il est donc essentiel de comprendre les paramètres favorisant leur apparition, ainsi que l'impact de leur présence sur les résidus végétaux et la matrice. Cette étude permettra donc de mettre en évidence les mécanismes de vieillissement intervenant dans les composites biosourcés, tout en établissant des corrélations entre les résultats obtenus aux échelles microscopiques et macroscopiques. Une modélisation de l'évolution des propriétés fonctionnelles des matériaux prenant en compte les phénomènes de dégradation observés à l'échelle microscopique sera également réalisée afin d'approfondir cette analyse. 4. Estimation de la durabilité des composites biosourcés Dans cette dernière étape, la durée de vie des composites en fonction de leur environnement pourra être estimée à partir des résultats obtenus dans la partie précédente et de leur modélisation. Cette prédiction pourra être comparée à des mesures obtenues sur des structures en situation réelle. Des prototypes pourront également être réalisés afin de guider les professionnels pouvant potentiellement mettre en œuvre ces produits.

  • Titre traduit

    Valorization of residual short flax fibres in polymer composites for building envelope applications


  • Résumé

    To carry this study, it is planned to follow the following steps: 1. Assessment of the market needs in biosourced composites, selection of flax residues and of the the recycled polymer resin The construction industry is a great user of composites materials. But actually, the qualification process of these materials are really long. That is why, an assessment of the market needs will be firstly done in order to evaluate the gap between the biosourced composites actual performances and the one required for these materials. This will then enable the improvement of our prototypes during the next steps of the project. Then, the inventory of usable recycled polymer resins and of the different kinds of flax residues available will be done. The residues with the widest quantity available, and resins for which structural properties and compatibility with residues are optimum will be taken on. The composite manufacturing process will be also optimized in order to reach the considered performances. The biosourced composites of this study will be then manufactured on this basis. 2. Characterization of the recycled polymer resin and of flax residues, set up of the accelerated ageing protocols During this second step, the recycled polymer resin and the flax residues previously chosen will be macroscopically and microscopically characterized in order to optimize their short-term behavior. Accelerated ageing protocols which reproduce the using conditions of these materials will be set up. This will enable the observation and the understanding of the evolution of their performances with the time. In order to do that, it will be necessary to fix several cycles by controlling the humidity, the light, the temperature, the mold's development, the UV radiation, and also, the wear and tear applied rate. Simultaneously, in situ ageing will be set up. 3. Monitoring of the materials properties during the accelerated ageing of biosourced composites During the accelerated ageing done in the laboratory and in situ, it will be mandatory to use a multidisciplinary and multiscale approach so as to understand the evolution of the composites properties. • At the macroscopic scale: According to the considered application in construction, it is mandatory to guarantee the thermal and phonic isolating properties, but also the flexural and impact resistance of the composite materials. In order to do this, the thermal conductivity, acoustic properties and the mechanical properties of the composite will be measured before and during ageing. • At the miscroscopic scale: A microscopic study will show the possible modifications of the chemical, physico-chemical and microstructural properties of the composites. It will be thus possible to understand the evolution of the material's microscopic properties during the ageing. • Biological study: In the presence of humid conditions, some molds may develop in the biosourced composite, causing then its degradation. That is why it is essential to understand the parameters that stimulate their development, and the impact of their presence on the flax residues and the recycled polymer resin. Thus, this study will highlight the ageing mechanisms that are taking parts in the biosourced composites, and enable correlations between the results obtained at the microscopic and at the macroscopic scale. A modelling of the evolution of the functional properties of these materials will be also done, taking into account the degradation phenomenons observed at the microscopic scale, to go into this analysis in depth. 4. Estimation of the durability of the biosourced composites In this last step, the lifespan of composites as a function of their environment will be estimated using the results obtained in the previous steps and their modelling. This prediction will be compared to measurements done on the structure in real using circumstances. Some prototypes dedicated to professionals of the construction and the automobile industries will also be manufactured.