Biocomposite

Un biocomposite est un matériau composite formé d'une matrice ( résine ) et d'un renfort en fibres naturelles . Les préoccupations environnementales et le coût des fibres synthétiques ont conduit à l'utilisation de fibres naturelles comme renfort dans les composites polymères. La phase matricielle est formée de polymères dérivés de ressources renouvelables et non renouvelables. La matrice est importante pour protéger les fibres de la dégradation environnementale et des dommages mécaniques, pour maintenir les fibres ensemble et pour transférer les charges sur elle. De plus, les biofibres sont les principaux composants des biocomposites, qui sont d'origine biologique, par exemple les fibres de cultures ( coton , lin ou chanvre ), le bois recyclé , les vieux papiers , les sous-produits de la transformation des cultures ou les fibres de cellulose régénérées (viscose/rayonne). L'intérêt pour les biocomposites augmente rapidement en termes d'applications industrielles ( automobiles , wagons de chemin de fer , aérospatiale , applications militaires , construction et emballage ) et de recherche fondamentale, en raison de ses grands avantages (renouvelables, bon marché, recyclables et biodégradables ). Les biocomposites peuvent être utilisés seuls ou en complément de matériaux standards, comme la fibre de carbone. Les défenseurs des biocomposites affirment que l'utilisation de ces matériaux améliore la santé et la sécurité lors de leur production, qu'ils sont plus légers, qu'ils ont un aspect visuel similaire à celui du bois et qu'ils sont supérieurs sur le plan environnemental.

Français La différence pour cette classe de composites est qu'ils sont biodégradables et polluent moins l'environnement, ce qui est une préoccupation pour de nombreux scientifiques et ingénieurs afin de minimiser l'impact environnemental de la production d'un composite. Ils sont une source renouvelable, bon marché et dans certains cas entièrement recyclables. L'un des avantages des fibres naturelles est leur faible densité, qui se traduit par une résistance à la traction et une rigidité spécifiques supérieures à celles des fibres de verre, en plus de leurs coûts de fabrication inférieurs. En tant que tels, les biocomposites pourraient être une alternative écologique viable aux composites en carbone, en verre et en fibres synthétiques. Les fibres naturelles ont une structure creuse, qui offre une isolation contre le bruit et la chaleur. C'est une classe de matériaux qui peuvent être facilement transformés et qui conviennent donc à une large gamme d'applications, telles que l'emballage, la construction (structure de toit, pont, fenêtre, porte, cuisine verte), l'automobile, l'aérospatiale, les applications militaires, l'électronique, les produits de consommation et l'industrie médicale (prothèse, plaque osseuse, arc orthodontique, remplacement total de la hanche et vis et broches composites). Malheureusement, les biocomposites présentent des limites en raison du manque de compatibilité entre la résine synthétique et les fibres naturelles

Les biocomposites sont divisés en fibres non ligneuses et en fibres de bois , qui contiennent toutes de la cellulose et de la lignine . Les fibres non ligneuses (fibres naturelles) sont plus attractives pour l'industrie en raison des propriétés physiques et mécaniques qu'elles présentent. De plus, ces fibres sont des fibres relativement longues et présentent une teneur élevée en cellulose, ce qui leur confère une résistance à la traction élevée et un degré de cristallinité de la cellulose, tandis que les fibres naturelles présentent certains inconvénients car elles contiennent des groupes hydroxyles (OH) qui peuvent attirer les molécules d'eau, ce qui peut faire gonfler la fibre. Cela entraîne des vides à l'interface du composite, ce qui affecte les propriétés mécaniques et la perte de stabilité dimensionnelle. Les fibres de bois portent ce nom car près de 60 % de leur masse sont des éléments ligneux. Elles présentent des fibres de bois tendre (longues et flexibles) et des fibres de bois dur (plus courtes et plus rigides), et présentent un faible degré de cristallinité de la cellulose.

Les fibres naturelles sont divisées en fibres de paille , fibres de liber , fibres de feuilles , de graines ou de fruits et fibres d'herbe . Les fibres les plus utilisées dans l'industrie sont le lin , le jute , le chanvre , le kénaf , le sisal et la fibre de coco . Les fibres de paille peuvent être trouvées dans de nombreuses régions du monde et constituent un exemple de renforcement à faible coût pour les biocomposites. Les fibres de bois peuvent être recyclées ou non. Ainsi, de nombreux polymères tels que le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP) et le polychlorure de vinyle (PVC) sont utilisés dans les industries des composites à base de bois.

Les composites à base de lin conviennent parfaitement aux applications qui recherchent une alternative plus légère aux autres matériaux, notamment les applications dans les composants intérieurs automobiles et les équipements sportifs. Pour les intérieurs automobiles, Composites Evolution a effectué des tests de prototypes pour le Land Rover Defender et la Jaguar XF, le composite à base de lin du Defender étant 60 % plus léger que son homologue de production à rigidité égale, et la pièce composite à base de lin de la XF étant 35 % plus légère que le composant de production à rigidité égale

En matière d'équipements sportifs, Ergon Bikes a produit une selle conceptuelle qui a remporté la première place parmi 439 participants dans la catégorie Accessoires à l'Eurobike 2012, un salon majeur de l'industrie du vélo. VE Paddles a produit une lame de pagaie de bateau. Flaxland Canoes a développé un canoë recouvert de lin. Magine Snowboards a développé un snowboard incorporant du lin. Samsara Surfboards a produit une planche de surf en lin. Idris Ski's Lynx a remporté un prix ISPO en 2013 pour le ski Lynx

Les composites à base de lin conviennent également aux applications pour lesquelles l'aspect, le toucher ou le son du bois sont souhaités, mais sans risque de déformation. Les applications incluent les meubles et les instruments de musique. Dans le domaine des meubles, une équipe de l'université Sheffield Hallam a conçu un meuble avec des matériaux entièrement durables, dont le lin. Dans le domaine des instruments de musique, Blackbird Guitars a produit un ukulélé fabriqué à partir de lin qui a remporté de nombreux prix de design dans l'industrie des composites, ainsi qu'une guitare

Les composites verts sont classés comme des biocomposites combinant des fibres naturelles à des résines biodégradables . Ils sont appelés composites verts principalement en raison de leurs propriétés dégradables et durables, qui peuvent être facilement éliminées sans nuire à l'environnement. En raison de leur durabilité, les composites verts sont principalement utilisés pour augmenter le cycle de vie des produits à courte durée de vie.

Une autre classe de biocomposite est appelée « biocomposite hybride », qui est basée sur différents types de fibres dans une seule matrice. Les fibres peuvent être synthétiques ou naturelles et peuvent être combinées de manière aléatoire pour générer des composites hybrides. Sa fonctionnalité dépend directement de l'équilibre entre les bonnes et les mauvaises propriétés de chaque matériau utilisé. De plus, avec l'utilisation d'un composite qui a deux autres types de fibres dans le composite hybride, une fibre peut se tenir sur l'autre lorsqu'elle est bloquée. Les propriétés de ce biocomposite dépendent directement des fibres en comptant leur contenu, leur longueur, leur disposition et également leur liaison à la matrice. En particulier, la résistance du composite hybride dépend de la contrainte de rupture des fibres individuelles.

Les composites à base de fibres de chanvre sont particulièrement adaptés aux applications où la réduction du poids et l'augmentation de la rigidité sont importantes. Pour les applications de biens de consommation, Trifilon a développé un certain nombre de biocomposites à base de fibres de chanvre pour remplacer les plastiques conventionnels. Des valises, des glacières, des étuis pour téléphones portables et des emballages cosmétiques ont été fabriqués à partir de composites à base de fibres de chanvre.

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  Valise en composite de fibres de chanvre
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  Composite de fibres de chanvre – emballage cosmétique
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  Composite de fibres de chanvre - étui pour téléphone portable

La production de biocomposites fait appel à des techniques utilisées pour fabriquer des matières plastiques ou des matériaux composites. Ces techniques comprennent :

• Presse mécanique ;
• Enroulement filamentaire ;
• Pultrusion ;
• Extrusion (la plus utilisée, principalement pour les biocomposites verts) ;
• Moulage par injection ;
• Moulage par compression ;
• Moulage par transfert de résine ;
• Composé de moulage en feuille .