Vers une approche multi-échelle de la modification chimique de surface par des molécules biosourcées des rovings de lin et de chanvre guipés pour le développement de biocomposites à matrice époxy

Towards a multi-scale approach of surface chemical modification by biobased molecules of flax and hemp wrapped rovings for the development of biocomposites with epoxy matrix

• Auteur / Autrice : Khouloud Tilouche
• Direction : Anne Bergeret
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biomatériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 24/01/2024
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PCH - Polymères, composites, hybrides
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : PCH - Polymères, composites, hybrides
• Jury : Président / Présidente : Marianne Cochez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Bergeret, Alain Bourmaud, Christine Gerardin, Diana Cayuela martin, Didier Perrin, Clément Lacoste
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Bourmaud, Christine Gerardin

Mots clés

Mots clés libres

Imprégnation

Traitement de surface

Rovings guipés

Polyphénols

Fibre de lin/chanvre

Biocomposite

Biocomposite

Impregnation

Wrapped rovings

Polyphenol

Flax/hemp fiber

Surface treatment

Résumé

Cette thèse vise à développer un traitement de surface original des rovings guipées de lin et de chanvre à base de biopolyphénols (tannins) pour améliorer les propriétés mécaniques et thermiques de biocomposites à matrice époxy partiellement biosourcée. Le travail de recherche propose deux stratégies de fonctionnalisation afin d’augmenter le taux l'imprégnation des mèches de fibres végétales par les solutions de fonctionnalisation. La première stratégie en deux étapes consiste à effectuer une imprégnation à l'échelle de la mèche à l'aide d'une ligne d'imprégnation dédiée puis à produire des tissus à partir des mèches traitées. La seconde stratégie consiste à effectuer l’imprégnation directement à l'échelle du tissu à l'aide d'une foulard. La sélection des tannins a été faite sur la base de deux critères principaux : leur capacité de charbonnement et leur réactivité vis-à-vis de la fibre et de la matrice pour une bonne qualité de l’interface fibre/matrice et donc de bonnes propriétés mécaniques des biocomposites. Les tannins de quebracho ont ainsi été sélectionnés par comparaison aux tannins de chêne et de châtaignier et à l’acide tannique. Une étape de phosphorylation du tannin de quebracho avec l'acide phytique et l’acide phosphorique a ensuite été réalisée avec des taux de greffage de 13 à 15% selon la nature de la molécule phosphorée. Dans le cas des fibres de lin, le traitement de fonctionnalisation à l'échelle de la mèche apparait plus efficace (taux de phosphore entre 2 et 4%) qu’à l’échelle du tissu (taux d’environ 0,2%). Ainsi la stabilité thermique des biocomposites obtenus à partir des tissus traités par foulardage n’apparait pas significativement meilleure par rapport à ceux obtenus à partir de tissus non traités. Les essais de traction sur les mèches et les tissus obtenus à partir des mèches ont montré une augmentation de la ténacité après traitement. Des ténacités plus faibles ont été obtenus à partir des tissus foulardés par rapport aux tissus obtenus à partir des mèches traitées. L’influence de l’armure (toile et satin) du tissu a également été étudiée. Enfin il a été mis en évidence que la résistance à la traction des biocomposites obtenus à partir de tissus foulardés augmentait en présence du traitement. Des mèches de chanvre guipée fonctionnalisée ont également été développées, présentant des propriétés mécaniques comparables à celles du lin étudié dans cette thèse.

The aim of this thesis is to develop an innovative surface treatment for wrapped flax and hemp rovings based on biopolyphenols (tannins) to improve the mechanical and thermal properties of biocomposites with a partially biobased epoxy matrix. The research work proposes two functionalization strategies to increase the impregnation rate of plant fiber rovings by tannins-based solutions. The first two-stage strategy involves impregnation at a roving scale using a dedicated impregnation line, followed by the fabric manufacturing from the treated rovings. The second strategy consists in a direct impregnation at the fabric level using a padding device. Tannins were selected on the basis of two main criteria: their ability to form a char and their reactivity towards both the fiber and the matrix to ensure a good fiber/matrix interface and therefore to ensure good mechanical properties of the biocomposites. Quebracho tannins were selected by comparison to oak and chestnut tannins and to tannic acid. A phosphorylation step of quebracho tannin with phytic acid and phosphoric acid was then carried out, with grafting rates ranging from 13 to 15% depending on the nature of the phosphorylated molecule. In the case of flax fibers, functionalization treatment at the roving level appears to be more effective (phosphorus rates between 2 and 4%) than at the fabric level (rates around 0.2%). As a result, the thermal stability of biocomposites reinforced with padded-treated fabrics does not appear to be significantly better than those reinforced with untreated fabrics. Tensile tests performed on rovings and on fabrics obtained from rovings treated with the impregnation line showed an increase in toughness after treatment. Lower tenacities were obtained from padded-treated fabrics than from fabrics obtained from rovings treated with the impregnation line. The influence of the weave (plain and satin) of the fabrics was also studied. Finally, it was shown that the tensile strength of biocomposites obtained from padded treated fabrics increased in the presence of the treatment. Functionalized wrapped hemp rovings were also developed, with mechanical properties comparable to those of the flax.