Matériaux : les nouveaux champs de recherche et développement pour la valorisation des fibres végétales techniques (lin fibres et chanvre)

Résumé

Les matériaux à base de fibres végétales techniques (lin et chanvre) sont une réalité depuis plusieurs années. Une étude récente de FranceAgriMer (Thonier et Bono, 2015) montre que leur développement est une réalité tout particulièrement dans le domaine du bâtiment (isolation, panneaux de particules, bétons), du transport (plasturgie, composite) et plus récemment des sports et loisirs et du luxe. Ces développements permettent de valoriser les propriétés différenciantes du lin fibre et du chanvre en matière de performance mécanique, de légèreté, d’amortissement des vibrations, d’isolation thermique ou phonique, d’absorption/désorption ou de bilan écologique. La poursuite de leur déploiement repose sur la capacité de nos filières à lever les principaux verrous technologiques encore à l’œuvre, à savoir : (1) amélioration des performances mécaniques par le fractionnement, (2) apport de nouvelles fonctions que le végétal n’a pas naturellement, (3) amélioration de la mise en œuvre des fractions en semi-produits et en matériaux, (4) maîtrise de la reproductibilité des performances. Elle repose également sur la capacité de l’ensemble des acteurs de ces filières à structurer des filières d’approvisionnement reconnues, permettant d’amener sur le marché une gamme complète de solutions (fibres, poudres, granulats, compounds, non-tissés, rovings, tissés), adaptées aux cahiers des charges clients, à un prix acceptable par tous les maillons de la chaîne de valeur. Une nouvelle économie est en train de naître.

 

1 Des ressources pour des usages

Selon la FAO, la production mondiale de fibres végétales (hors coton et bois) s’établit entre 4,5 et 5 millions de tonnes chaque année. Cette production est concentrée en Asie du Sud-est à 75 %, tout particulièrement en Inde et au Bangladesh au travers du jute, de la fibre de coco ou du kenaf.

L’Europe produit 10 % de ce total. La France, grâce à la structuration de ses filières lin et chanvre, y occupe une place prépondérante en produisant 80 % de ces volumes, avec 169 000 tonnes/an sur la période 2001–2008 (Meirhaeghe, 2011) (Fig. 1). Néanmoins, les fibres produites en Europe sont encore aujourd’hui utilisées majoritairement sur leurs marchés traditionnels dans le textile (à 66 % pour le lin)…ou dans les papiers spéciaux (à 70 % pour le chanvre), laissant des perspectives de report intéressantes pour le marché des fibres techniques.

L’utilisation de fibres végétales techniques dans le domaine des matériaux est conditionnée par leur capacité à amener des fonctions différenciantes, dans le respect du cahier des charges des industriels d’application. Leurs principaux avantages clés (Fig. 2) sont :

 

  • leur légèreté;
  • leurs performances mécaniques;
  • leur propriété d’isolation thermique et phonique;
  • leur capacité à amortir les vibrations;
  • leur comportement en matière d’absorption/désorption;
  • leur origine en tant que matière renouvelable, dotée d’un Bilan CO2 faible.

 

Ces avantages varient selon les secteurs d’application. Se comportant différemment des fibres synthétiques qu’elles remplacent, les fibres végétales techniques peuvent générer également un certain nombre d’inconvénients pour les utilisateurs industriels.

Actuellement, le terme « fibres végétales » regroupe une hétérogénéité très importante de fractions végétales et chacune de ces fractions possèdent une sémantique propre à leur filière (Fig. 3).

thumbnail Fig. 1Production européenne de fibres végétales (2001–2008) (Meirhaeghe, 2011).

 

thumbnail Fig. 2Exemple de l’intérêt et limites de l’utilisation des fibres végétales techniques de chanvre et de lin en plasturgie.

 

thumbnail Fig. 3Diversité de l’offre de fractions végétales fibreuses (Meirhaeghe, 2011).

 

Les termes employés sont cohérents au sein de chacune des filières; néanmoins il est évident que ces terminologies sont inadaptées à une sémantique générale des fibres végétales techniques. Pour seul exemple, une fibre longue de lin textile a une longueur de l’ordre du décimètre alors qu’une fibre longue de bois est de l’ordre du millimètre. C’est la raison pour laquelle FRD et l’ADEME font la promotion depuis 2011 d’une nouvelle sémantique des fibres végétales techniques commune à l’ensemble des filières.

Dans cette nouvelle sémantique, les fibres végétales au sens strict peuvent être divisées en 3 sous-classes différentes selon leur granulométrie : les fibres décimétriques, les fibres centimétriques et les fibres millimétriques et/ou inférieures. Les autres matières peuvent être divisées en 3 sous-classes différentes : les granulats, les poudres et farines (Fig. 4).

thumbnail Fig. 4Sémantique de présentation des fibres végétales techniques lin et chanvre à usage matériaux (Meirhaeghe, 2011).

 

thumbnail Fig. 5Synthèse des usages actuels et envisageables en fonction des fibres végétales disponibles (Meirhaeghe, 2011).

 

La morphologie de chaque type de fraction conditionne ses utilisations applicatives actuelles et potentielles. Ainsi chaque secteur industriel valorise un ou plusieurs types de fibres végétales techniques. Il est intéressant de noter que les fibres végétales disponibles en France permettent de couvrir l’ensemble des besoins industriels (Fig. 5).

En France, des projections récentes de l’ADEME à l’horizon 2030 (Gabenisch et al.2015) font état d’un besoin proche de 145 000 ha de lin et de chanvre, pour une production de pailles de l’ordre de 1 000 000 de tonnes, alors qu’aujourd’hui on estime à 130 000 tonnes les volumes de fractions techniques extraites des pailles de lin et de chanvre valorisées en matériaux (voir plus loin Fig. 16).

À noter que sur la période 2001–2008 (Meirhaeghe, 2011), la France a produit en moyenne 619 000 tonnes de pailles, qui ont permis d’extraire 500 000 tonnes de ces fractions techniques, réparties entre 93 000 tonnes de fibres (dm), 76 000 tonnes de fibres [dm-cm], 330 000 tonnes de granulats et 60 000 tonnes de poudres sont obtenus. La part restante correspond aux graines (cas du lin fibre) et aux pertes (Fig. 6).

Pour couvrir les besoins futurs, les producteurs de fibres pourraient s’appuyer sur 3 leviers (Meirhaeghe, 2011) :

 

  • report de la production de fibre des marchés traditionnels, vers les marchés des matériaux;
  • augmentation des surfaces de production. Pour mémoire, 145 000 ha représentent 0,6 % de la surface agricole française;
  • importation de fibres exotiques, au-delà du flux actuel annuel de 130–140 000 tonnes au niveau européen.

 

Si la disponibilité de la ressource est aujourd’hui une réalité, l’enjeu majeur à long terme est de créer les conditions technologiques permettant de rendre apte ces matières à accéder à grande échelle aux cahiers des charges des industriels des matériaux.

thumbnail Fig. 6Volumes par type de fibres et par type de plantes (Meirhaeghe, 2011).

 

thumbnail Fig. 7Le fractionnement une étape clé (source : FRD).

 

2 Axes de recherche majeurs

2.1 Fractionnement

Le fractionnement est une étape clé de la chaîne de valeur fibres végétales techniques pour matériaux. Cette étape consiste à produire à partir des pailles des fractions ayant des propriétés spécifiques répondant aux cahiers des charges industriels. À l’issu du fractionnement, on distingue généralement les granulats, les poudres et les fibres selon leur longueur (mm, cm, dm).

Le fractionnement débute généralement dès la récolte des plantes (comme dans le cas du lin et du chanvre). L’itinéraire technique de récolte varie selon la morphologie de la paille, de la valorisation souhaitée (ou non) des graines, du mode de gestion des pailles et des technologies utilisées pour séparer mécaniquement les différentes fractions des tiges.

Lorsque la maturité des graines/des fibres (selon les souhaits de valorisation) est atteinte, les plantes sont récoltées en une ou plusieurs étapes : arrachage ou fauchage ou récolte des graines puis fauchage des tiges. Selon les plantes et la valorisation recherchée, les pailles peuvent être laissées étendues plus ou moins longtemps sur le sol même de la culture pour rouir. Ainsi soumises aux aléas climatiques, des microorganismes se développement sur ces pailles initiant la dégradation de ces dernières. D’un point de vue chimique, ce rouissage conduit prioritairement à la dégradation des composés pectiques constitutifs des jonctions mitoyennes entre les cellules et donc responsables de la cohésion des fibres au sein des faisceaux. Le rouissage permet ainsi une extraction moins rude des éléments fibreux des pailles et conduit également à une matière mieux affinée. Il est nécessaire de souligner que le rouissage ci décrit, appelé rouissage à la rosé, constitue le mode actuellement le plus utilisé en Europe. Cependant d’autres méthodes de rouissage existent, leur plus faible utilisation s’expliquant par la législation environnementale et/ou leurs couts plus élevés.

Une fois sèche (±15 % d’humidité) la paille est mise en balle et rentrée. Après stockage, les balles sont amenées sur le site d’extraction des fibres. Ce principe permet de maintenir un flux constant de matière tout au long de l’année.

La paille subit ensuite une première série d’opérations mécaniques permettant d’obtenir différentes fractions végétales en fin de processus. Ces opérations constituent le processus de 1re transformation, qui repose sur 3 étapes clés, avec (Fig. 7) :

 

  • la décortication consiste, par une opération mécanique exercée sur la tige entière, à désolidariser la matière ligneuse (ou moelle) de la fibre libérienne;
  • la séparation consiste à séparer les différentes fractions végétales obtenues;
  • l’affinage se focalise sur les faisceaux afin de réduire le nombre de fibres unitaires par faisceau jusqu’à éventuellement l’obtention de fibres élémentaires.

 

En ce qui concerne les procédés d’extraction mécanique actuellement utilisés par la filière fibres végétales, la littérature montre que certains paramètres exercent une influence prépondérante sur la qualité des fibres et/ou sur l’efficacité des procédés : rouissage, humidité, paramètres de sollicitations mécaniques (Chevalier, 2009).

thumbnail Fig. 8Évolution des performances mécaniques (module d’Young) en fonction du diamètre des différents types de fibres (Bourg, 2009).

 

thumbnail Fig. 9Comparaison d’une fibre de lin défibrée industriellement (photo du haut) et manuellement (Photo du bas) (Bos, 2004).

 

thumbnail Fig. 10Exemples de stratégie de fonctionnalisation (source : FRD).

 

Les travaux de recherche relatifs au fractionnement des fibres végétales visent à :

 

  • produire les fibres « idéales » demandées par les cahiers des charges industriels en jouant sur les enchaînements de procédés de séparation et d’affinage notamment;
  • améliorer la capacité à affiner les fibres végétales, l’objectif ultime étant d’extraire une fibre unitaire, constituée de la paroi d’une cellule, afin d’obtenir les meilleures performances mécaniques possibles (Fig. 8);
  • développer des procédés respectueux des fibres et de leur intégrité. L’objectif est de réduire les apparitions des défauts à la surface des fibres qui sont autant de points de rupture potentiels impactant leur propriété mécanique (Fig. 9);
  • développer des procédés générant des économies d’échelle en réduisant les étapes de transformation. Exemple de la société Dehondt Technologies qui cherche à développer une ligne de teillage de lin permettant de produire une fibre (dm) de lin à moindre coût afin de réduire les couts de fabrication de semi-produits liés (rovings, multiaxaux, tissus).

 

2.2 Fonctionnalisation

L’objectif de la fonctionnalisation est de conférer aux fractions végétales des propriétés spécifiques, qu’elles ne possèdent pas initialement, par le biais d’un traitement.

Les actions de recherche portent classiquement sur les 3 fonctions clés relatives à (Fig. 10) :

 

  • l’amélioration de l’interface fibres/matrice, afin d’améliorer par exemple les propriétés mécaniques et la tenue au choc des pièces plastiques (extrusion, injection) et composites. Une fonction clé dans le domaine du transport;
  • la protection contre l’absorbtion en eau et la maîtrise des taux d’humidité (hydrofugation), fonction clé dans le domaine du bâtiment ou du nautisme;
  • la résistance au feu (ignifugation), fonction clé dans le domaine du transport hors automobile (ferroviaire, nautisme, aéronautique) et du bâtiment.

 

En complément, selon les spécificités des marchés visés des propriétés spécifiques peuvent être recherchées : antifongique, antibactérien, anti-salissures (oléophobe), stabilité thermique, stabilité UV, antistatique, coloration…

Si l’amélioration de l’interface fibre/matrice est l’axe majeur de recherche au niveau mondial, force est de constater que peu ou pas d’action ont été engagés sur les solutions de fonctionnalisation et les process d’application de ces solutions tant sur les fractions végétales techniques (fibre, granulat, poudre) que sur les semi-produits qui en sont issus.

2.3 Semi-produits et mise en œuvre matériaux

thumbnail Fig. 11Schéma de synthèse des chaînes de valeur fibres végétales techniques pour matériaux (source : FRD/Projet investissement d’avenir Sinfoni).

 

L’accès au marché des matériaux des fibres végétales techniques nécessite (sauf cas particulier) une étape de 2e, voire 3e transformation, avant d’être incorporés dans les processus de mise en œuvre des matériaux biosourcés.

Dans le domaine de la plasturgie les fibres (cm) sont fractionnées à 2–3 mm afin d’être incorporées dans des compounds, semi-produits issus de la plasturgie ayant la forme d’un granulé prémélangeant une fibre de renfort, un polymère et un additif, prêt pour la mise en forme finale. Les polymères les plus utilisés en complément des fibres sont le PP, le PE1 ou le PA.

Dans le domaine des composites, les fibres techniques sont mises en forme selon des process textiles ou assimilés pour produire des non-tissés, ou des fils qui seront assemblés pour être tissés, tressés ou tricotés (Meirhaeghe, 2011).

On peut retenir principalement (Fig. 11) :

 

  • le non-tissé (ou mat ou feutre) est un voile ou matelas de fibres (cm) agencées aléatoirement, liées par action mécanique, chimique, pneumatique ou papetière;
  • le roving est un assemblage continu de fibres (dm) alignées, liées par une faible torsion permettant la cohésion de l’ensemble;
  • l’unidirectionnel est constitué de fibres (dm), fils ou rovings alignés selon une direction principale;
  • le multiaxial est constitué d’unidirectionnels superposés selon deux ou plusieurs directions (ex : +45°, –45°) liés par une couture inter-nappes;
  • le tissu est un assemblage régulier de fils ou rovings disposés perpendiculairement selon un agencement spécifique appelé armure;
  • le pré-imprégné est une structure textile traitée avec une résine thermodurcissable non réticulée ou une résine thermoplastique. Il existe plusieurs procédés de pré-imprégnation : en solution, en voie fondue, le poudrage, l’hybridation et le transfert.

 

Ces semi-produits sont mis en forme dans le cadre des procédés en vigueur dans l’industrie des matériaux, selon le type de matériau visé.

Si l’on prend l’exemple des secteurs de la plasturgie et des composites, une très grande partie des procédés actuels sont adaptés ou adaptables aux fibres techniques végétales et aux semi-produits liés. Les niveaux de température ne doivent cependant pas excéder généralement 180–200 °C et l’humidité résiduelle de la matière doit être prise en compte avant toute transformation à plus de 100 °C.

thumbnail Fig. 12Adéquation/marché/procédés/nature des fibres végétales techniques fournies. Exemple de la plasturgie et des composites (Collectif FRD, 2015).

 

À chaque marché d’application, correspond une famille de procédés de mise en œuvre de ces matériaux et un type de fibres végétales techniques ou de semi-produits liés (Fig. 12).

Dans le cadre de cet exemple, l’enjeu pour les industriels de la plasturgie ou des composites est ainsi de sélectionner les renforts les mieux adaptés à leurs procédés, au niveau de performance recherchées, à un prix d’acquisition acceptable.

thumbnail Fig. 13État de l’art des performances mécaniques de composites à base de semi-produits issus de fibres végétales techniques (Lozachmeur, 2014).

 

thumbnail Fig. 14Sinfoni : création de 14 fiches techniques pour un suivi qualité tout au long de la chaîne de valeur (Source : FRD/Projet investissement d’avenir Sinfoni).

 

Les enjeux pour la filière fibres végétales techniques sont ainsi principalement de :

 

  • rendre disponible cette gamme de semi-produits pour couvrir l’ensemble des besoins industriels, sur le modèle des gammes de fibres de verre disponibles sur le marché;
  • adapter les performances de cette gamme aux besoins des industriels des matériaux, que ce soit en matière de performance intrinsèque ou de processabilité (incorporation, imprégnation, découpe, réparation…) (Fig. 13);
  • rendre visible la réalité des performances obtenables à partir des semi-produits disponibles sur le marché, par la constitution notamment de bases de données dédiées;
  • améliorer les procédés de production et créer les conditions d’économie d’échelle afin de mettre sur le marché des produits à des prix compétitifs. C’est déjà le cas pour les compounds et les non-tissés. Ces efforts restent à faire pour les autres semi-produits;
  • valoriser les fonctions différenciantes de ces semi-produits en matière d’allégement ou d’amortissement des vibrations par exemple;
  • faciliter l’accès à la mise en œuvre de ces nouveaux produits en substitution des approvisionnements classiques par la mise en place d’accompagnement à la mise en œuvre.

 

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