Etude des mécanismes de fluoration de fibres naturelles destinées à la fabrication d'éco-composites - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2022

Study of the fluorination mechanisms of natural fibers for eco-composites manufacturing

Etude des mécanismes de fluoration de fibres naturelles destinées à la fabrication d'éco-composites

Olivier Téraube

Résumé

Vegetable fibers are increasingly used to substitute glass fibers for polymer strengthening to make eco-composites. Indeed, in addition to the fact that vegetal fibers and glass fibers present equivalent specific properties, the use of the former allows to valorize bio-based and local resources while lightening the overall weight and reducing the cost of composites Therefore, all these advantages provide them to be more and more used in the transport industry (aeronautics, automotive, etc.), and this is expected to increase in light of current environmental issues and the emerging context of the bio-economy aimed at continuing economic growth while preserving the environment and earth resources.However, one of the main difficulties arising when using these natural compounds as polymer matrix reinforcement is their incompatibility with a large part of the latter. Indeed, the hydrophilic nature of vegetal fibers makes them sensitive to moisture absorption and difficult to wet by hydrophobic resins (which represent the majority of polymer matrices used). Thus, to obtain the optimal mechanical performance of these composites, it is necessary to compatibilize these fibers with the polymer matrix to avoid the formation of cavities during the manufacturing process, which would greatly weaken the composite. Nowadays, several chemical and/or physical methods were developed with the aim to achieve this compatibilization (acetylation, alkaline treatment, treatment using peroxides, etc.). However, these techniques are generally harmful to the environment through the use of toxic products and solvents, and can even degrade the initial material (and consequently the mechanical properties).It is in this context that fluorination treatment takes place. Indeed, a treatment under molecular fluorine (F2) of wood or vegetal fibers allows to covalently graft fluorine atoms on the outmost surface of lignocellulosic material surface in substitution of hydroxyl groups responsible for hydrophilicity, and this in a fast and controlled reaction. This grafting, (proved, inter alia, by FT-IR spectroscopy and 19F NMR) allowed to significantly increase the hydrophobicity of fibers without modification of their bulk’s mechanical performance as it is only located on the material’s surface. This treatment thus reduces the gap between the surface energies of the fibers and the matrices; in other words, the wetting of the fiber by the polymer is improved. Thereby, porosity of the composite thus formed is significantly reduce, increasing its mechanical performance, without any chemical coupling agent harmful to humans and the environment.
Les fibres végétales sont de plus en plus utilisées comme bio renfort de matériaux composites, car elles permettent non seulement de valoriser des ressources naturelles, locales et renouvelables, mais aussi de diminuer le poids global de ces matériaux ainsi que leur coût, pour des propriétés mécaniques spécifiques équivalentes aux fibres de verre. En outre, l’utilisation de ces matériaux étant plus respectueuse de l’environnement que l’usage de fibres synthétiques, elle s’inscrit parfaitement dans la problématique environnementale du XXIème, avec l’idée de fabriquer des « éco-composites », présentant une faible empreinte écologique.Toutefois, l’une des principales difficultés rencontrées lors de l’utilisation de ces composés naturels comme renfort de matrice polymère est leurs incompatibilités avec une grande partie ces dernières. En effet le caractère hydrophile des fibres végétales les rend difficiles à mouiller par les résines hydrophobes (qui représentent la majorité des matrices polymères utilisées) induisant une porosité micrométrique qui fragilise le matériau. Ainsi, pour obtenir les performances mécaniques optimales de ces composites, une comptabilisation de ces fibres avec la matrice est nécessaire. À l’heure actuelle, plusieurs méthodes chimiques et/ou physiques sont employées (acétylation, traitement alcalin, peroxydes, etc.). Cependant, elles s’avèrent généralement nocives pour l’environnement de par l’emploi de produits et solvants toxiques, ce qui va à l'encontre de l'idée même de réaliser des éco-composites, censés être plus respectueux de l'environnement.C’est dans ce contexte que le traitement de fluoration intervient. En effet, un traitement sous fluor moléculaire F2 de matériaux ligno-cellulosiques naturels tels que les fibres de lin a permis de greffer de manière covalente des atomes de fluor en substitution de groupements hydroxyles, responsables de l’hydrophilie, de manière rapide et contrôlée. Ce greffage, prouvé, entre autres, par spectroscopie infra-rouge, RMN du 19F et XPS, permet de réduire significativement l’hydrophilie des fibres, sans pour autant dégrader leurs performances mécaniques, car étant uniquement localisé en surface. Ce traitement permet ainsi de réduire l’écart entre les énergies de surface des fibres et des matrices ; en d’autres termes, le mouillage de la fibre par le polymère est amélioré, diminuant significativement la porosité du composites formés à partir de ces renforts fluorés et in fine, augmentant ses performances mécaniques, sans agent de couplage chimique nocif pour les Hommes et l’environnement.
Fichier principal
Vignette du fichier
2022UCFAC055_TERAUBE.pdf (15.78 Mo) Télécharger le fichier
Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04062012 , version 1 (07-04-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04062012 , version 1

Citer

Olivier Téraube. Etude des mécanismes de fluoration de fibres naturelles destinées à la fabrication d'éco-composites. Matériaux. Université Clermont Auvergne, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UCFAC055⟩. ⟨tel-04062012⟩
160 Consultations
63 Téléchargements

Partager

More