Une étude mécanique multi-échelle des tiges et des fibres de lin pour le développement d'un outil de terrain capable de prédire le rouissage optimal

A multiscale mechanical study of flax stems and fibres for the development of an in-the-field tool capable of predicting optimum retting

• Auteur / Autrice : Ali Reda
• Direction : Steve Arscott
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-nanosystèmes et capteurs
• Date : Soutenance le 07/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Ingrid Proriol Serre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Placet, Karine Charlet, Simon Hawkins, Sébastien Grec, Lionel Buchaillot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Ouagne, Christian Bergaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Paroi cellulaire végétale

Analyse multiéchelle

Traitement d'images -- Techniques numériques

Propriétés mécaniques

Fibres végétales

Conception assistée par ordinateur

Rouissage

Cultures

Lin

Agriculture connectée

Mots clés libres

Fibres de lin

Rouissage par rosée

Digital agriculture

Flax fibre production

Dew retting

Tool for optimum retting

Multiscale mechanical characterization

Mechanical properties and image analysis

Résumé

L'agriculture 4.0 se développe actuellement rapidement en termes de recherche, de développement et d'applications commerciales. L'objectif de l'agriculture 4.0 est d'utiliser la technologie pour améliorer tous les domaines de l'agriculture. L'agriculture 4.0 est tellement vaste que si l'on veut y contribuer, il faut choisir un domaine spécifique. Le domaine choisi pour l'étude de ce doctorat est la production de fibres de lin. Les fibres de lin sont des fibres naturellement solides qui peuvent être extraites des tiges de lin. Les tiges de lin ont évolué pour avoir des fibres robustes d'un diamètre de l'ordre du micromètre qui courent le long de l'extérieur de la tige et sont maintenues en place dans le tissu externe de la tige. Une fois extraites et isolées, les fibres de lin ont de nombreuses applications, allant des textiles aux matériaux composites. Afin de faciliter l'extraction mécanique des fibres de lin de leurs tiges mères, les tiges subissent un processus connu sous le nom de « rouissage ». Le rouissage entraîne la décomposition du tissu externe (appelé lamelle moyenne) entre les fibres. Une forme courante de rouissage est connue sous le nom de « rouissage de rosée ». Dans le rouissage de la rosée, des processus naturels tels que les bactéries et les champignons produisent des enzymes qui décomposent la lamelle centrale et séparent progressivement les grappes de fibres et les fibres des grappes. La durée du rouissage dépend fortement des conditions météorologiques. Un rouissage insuffisant entraîne une extraction difficile des fibres dans l'usine, tandis qu'un rouissage excessif peut compromettre la qualité des fibres. On sait depuis longtemps qu'il existe un point de rouissage optimal - même les anciens le savaient. Certains agriculteurs artisans qualifiés sont capables de juger ce point par une combinaison de manipulation manuelle des tiges, d'observation des dommages causés aux tissus externes par cette manœuvre, et aussi d'observation de la couleur et de l'odeur des tiges au cours de ce test très habile, mais artisanal. Il est clair que l'artisan effectue des tests de laboratoire rudimentaires littéralement « sur le terrain ». Il semblerait donc logique d'essayer de quantifier ces tests et de voir si un outil fiable peut être mis au point pour aider l'artisan. Et c'est exactement ce que d'autres ont tenté de faire. L'introduction de la thèse donne des exemples de tentatives de fabrication d'outils de rouissage optimal dans les années 1980 et suivantes. Inspirés par ces premiers travaux, les travaux de cette thèse tentent une caractérisation mécanique multi-échelle complète des tiges et des fibres de lin pendant un cycle de rouissage (été 2022) et, de manière quelque peu ambitieuse, réalisée en temps réel - à notre connaissance pour la première fois. La caractérisation mécanique comprend des essais mécaniques macroscopiques (flexion, écrasement et torsion de la tige), ainsi que des essais mécaniques microscopiques inédits sur des fibres de lin individuelles à l'aide de nouvelles méthodes inspirées des MEMS. En outre, les propriétés mécaniques nanoscopiques de la paroi cellulaire primaire des fibres de lin en cours de rouissage ont été caractérisées à l'aide de l'AFM par nanoindentation. Au fur et à mesure que le travail expérimental, l'analyse via la modélisation analytique et l'interprétation descendent en échelle, de la macro au nano en passant par le micro, nous en apprenons un peu plus sur la manière dont le rouissage affecte les tiges, leurs propriétés et leurs fibres. En plus de l'apprentissage, un résultat très positif du doctorat est que l'on est capable de suggérer un mécanisme de dommage induit mécaniquement dans les tiges, qui pourrait être la base d'un outil. On peut cependant noter que la nature multiparamétrique incontrôlable du sujet, par exemple le temps, signifie que plusieurs études seraient nécessaires pour confirmer sans aucun doute les observations d'un seul cycle de rouissage.

Agriculture 4.0, also known under several aliases such as ‘digital agriculture', ‘smart farming', and ‘e-farming' is currently developing rapidly in terms of research, development, and commercial applications. As with Agriculture 1.0, 2.0, and 3.0, the objective of Agriculture 4.0 is the use of technology to improve all areas of agriculture. In Agriculture 4.0 it is the application of microelectronics and microtechnologies. Unlike before, these technologies bring things such as the internet-of-things, big data, telecommunications, novel sensing, rapid feedback, data analysis, connectivity, artificial intelligence etc. In principle, all these areas should result in a massive modernization of farming in terms of organisation, yield, efficiency, and quality of produce. However, Agriculture 4.0 is so vast that if one is to contribute to it, even in a minor way, one has to choose a specific area to contribute. The area chosen for the study in this PhD was flax fibre production. Flax fibres are naturally strong fibres which can be extracted from flax stems. The flax stems have evolved to have robust micrometre-diameter fibres running the length of the outside of the stem, and held in place in the external tissue of the stem. Once extracted and isolated, flax fibres have numerous applications ranging from textiles to composite materials. In order to facilitate the mechanical extraction of flax fibres from their parent stems, the stems undergo a process known as ‘retting'. Retting leads to the breakdown of the external tissue between the fibres. A common form of retting is known as ‘dew retting'. In dew retting, natural processes such as bacteria and fungi result in enzymes which break down the middle lamella and gradually separate fibre bunches and fibres from bunches. The length of dew retting depends heavily on the weather. Too little retting results in difficult fibre extraction in the factory, too much retting can result in a compromise in fibre quality. It has long been known that there is an optimum retting point-even the ancients knew this. Certain skilled artisan farmers are able to judge this point via a combination of manual manipulation of the stems, observation of damage caused to the external tissue via this manoeuvre, and also observing the colour and the smell of the stems during this very skilled, but artisanal, testing. It is clear that the artisan is performing rudimentary laboratory tests quite literally ‘in-the-field'. It would seem logical therefore to try to quantify such tests and see if a reliable tool can be made to help the artisan. And indeed, this is exactly what others have attempted. The introduction of the PhD gives examples of attempts to make optimal-retting tools in the 1980s and after. Inspired by this early work, the work of this PhD attempts a full multiscale mechanical characterization of flax stems and fibres during a retting cycle (summer 2022) and, somewhat ambitiously, performed in real time-to our knowledge for the first time. The mechanical characterization involved macroscopic mechanical tests (bending, crushing, and twisting), as well as novel microscopic mechanical testing of single flax fibres using novel methods inspired by MEMS. In addition, the nanoscopic mechanical properties of the primary cell wall of retting flax fibres was characterised using nanoindentation AFM. As the experimental work, analysis via analytical modelling, and interpretation descends in scale from macro, through micro, to nano, we learn a little more of how the retting affects the stems, their properties, and their fibres. In addition to simply learning, a very positive outcome of the PhD is that one is able to suggest a mechanically-induced damage mechanism in stems which could be the basis for a tool. One can note however, that the uncontrollable multiparameter nature of the subject, e.g. the weather, means that several studies would be needed to confirm beyond doubt observations from a single retting cycle.