On commence à trouver des fibres végétales dans les voitures : elles sont à l’intérieur des plastiques de l’habitacle notamment, où elles permettent d’alléger le matériau, ce qui peut permettre de faire des économies d’énergie ou de déplacer un véhicule plus volumineux pour le même litre d’essence ou recharge électrique. On les retrouve aussi dans les carénages de voitures sportives et dans certaines coques de bateaux à voile de compétition.
Les plastiques composites, qu’ils contiennent des fibres végétales ou minérales, comme les fibres de verre ou de carbone, représentent aujourd’hui jusqu’à 20 % du poids total du véhicule. Dans le cas des fibres de verre ou de carbone, ils entrent même dans la composition des pièces du moteur, par exemple des pompes à eau de refroidissement. Les fabricants ont aujourd’hui tendance à favoriser ces plastiques composites par rapport à des pièces en métal car, outre leur poids moindre, elles sont moins coûteuses à fabriquer, suffisamment résistantes, permettent d’obtenir des géométries plus optimisées et sont recyclables… du moins en partie.
Recycler les plastiques contenant des fibres de verre ou de carbone permet de récupérer ces fibres, mais pas le matériau polymère, car il faut brûler le plastique pour récupérer les fibres, qui sont coûteuses à fabriquer et donc intéressantes à revaloriser. Ainsi, aujourd’hui, seulement entre 28 % et 78 % de pièces en plastique des véhicules sont recyclés (alors qu’environ 85 % de la masse totale des véhicules est recyclé. Cette variabilité vient du fait que certains plastiques sont utilisés purs et donc plus facilement recyclables alors que d’autres sont renforcés, ce qui rend l’opération bien plus difficile.
C’est pour continuer à alléger les véhicules et améliorer leur recyclabilité que l’on se tourne aujourd’hui vers les fibres naturelles, y compris dans les moteurs. Elles sont plus vertueuses à produire que le verre ou le carbone (car moins énergivores à produire, biodégradables, valorisables pour de multiples applications et pouvant provenir de récupération de chutes, favorisant ainsi l’indépendance vis-à-vis du pétrole), mais aussi plus légères, et elles brulent à plus basse température : lors du recyclage, on pourrait ainsi en théorie récupérer le thermoplastique, comme le nylon ou le polypropylène et le recycler.
Les fibres végétales du lin ou du chanvre sont utilisées depuis l’antiquité pour fabriquer entre autres papyrus, cordages et voiles de bateau (du fait de leur bonne résistance mécanique) et vêtements. Mais il y a plusieurs défis techniques à relever pour pouvoir les intégrer dans des pièces mécaniques de composites plastiques.
Du champ au renfort mécanique dans les moteurs de voiture
Aujourd’hui, seulement 10 % du lin est utilisé pour des applications mécaniques, le reste, c’est-à-dire l’immense majorité, étant utilisé pour les vêtements et l’ameublement. Le lin est pourtant un matériau connu pour sa bonne résistance mécanique, qui a permis d’arrimer les bateaux et faire traverser les âges aux anciens papyrus. Il a cependant toujours été utilisé en grosses structures tissées ou tressées et non en petites fibres.
Le chanvre, de son côté, commence à réémerger, grâce à des applications thermiques. Ses excellentes propriétés isolantes font de lui un excellent isolant thermique pour le bâtiment et pour les paillis agricoles. Ses propriétés mécaniques sont également très intéressantes pour les applications industrielles.
Comme chaque matériau possède ses propres points forts, le développement parallèle de plusieurs types de renfort est indispensable pour offrir un panel de solutions aux problématiques variées auxquelles font face les constructeurs. En équilibrant les avantages et les inconvénients de chaque matériau, nous pourrions ne plus nous retrouver dépendants d’une seule solution, comme ce fût le cas avec la dépendance au pétrole.
Si la culture du lin est présente et bien implantée en France, la culture du chanvre, elle, est bien plus anecdotique. La démocratisation de la culture de chanvre peut donc prendre plus de temps, d’autant que les fibres doivent être issues de cultures pérennes et maitrisées sous réserve de voir leurs propriétés fluctuer d’une année à l’autre, en fonction de la qualité de la récolte. De l’acquisition du terrain à la première récolte de lin, par exemple, il peut en effet se passer 6 à 7 ans avant de pérenniser la culture et standardiser la qualité des fibres obtenues. Un accroissement important de ces cultures, qu’elles soient de lin, de chanvre ou de tout autre renfort naturel potentiel, serait nécessaire pour permettre une diffusion plus massive des renforts naturels.
Mieux comprendre les fibres végétales et leurs composites
La présence de fibres rend le comportement mécanique de la pièce complexe à estimer, car il dépend de la manière dont les fibres sont positionnées et orientées dans la pièce en plastique. Par exemple, une meilleure résistance à la traction serait obtenue si les fibres étaient parfaitement alignées avec la direction de sollicitation, ce qui n’est jamais le cas, surtout dans une pièce à la géométrie complexe. Ainsi, le dimensionnement d’une pièce composite renforcée de fibres synthétiques n’est déjà pas chose aisée.
Heureusement, les fibres synthétiques ont des géométries simples et répétables (même longueur, même diamètre), ce qui a permis de développer des méthodes pour estimer l’orientation dans une pièce mécanique.
Avec les fibres végétales, c’est plus compliqué, car celles-ci sont moins bien calibrées, voire pas du tout, et on ne peut pas faire les mêmes hypothèses et approximations qu’avec les fibres synthétiques. Voilà pourquoi, la majorité des pièces renforcées de fibres naturelles sont moulées, permettant de créer des renforts tressés et donc à géométrie répétable, à l’instar des cordages de bateaux. Pour les pièces à géométrie plus complexe, obtenues par injection, l’orientation des fibres devient une inconnue majeure.
De plus, contrairement aux fibres synthétiques, leur résistance mécanique s’avère être encore plus sensible à la température et à l’humidité que le polymère.
Tout n’est cependant pas perdu car, même si on ne peut pas changer la nature et ces dépendances, on peut anticiper ces dernières.
Nous étudions des composites de différentes natures, afin d’identifier les phénomènes physiques – dont dépend la résistance mécanique – qui vont se produire au niveau de la microstructure, afin de prédire leur apparition et quantifier leur influence sur la résistance du matériau.
Des sensibilités diverses, pour des applications qui le sont tout autant
Contrairement au verre, la fibre végétale est aussi un composite. Elle se compose d’un ensemble de plus petites fibres, appelées fibrilles, entrelacées.
C’est cette structure qui rend la géométrie de la fibre complexe et variable. Pour prendre ce constat en compte dans le dimensionnement, nous avons mené des travaux montrant que les fibres naturelles sont tellement courbées que l’orientation des fibres joue un rôle mineur dans l’effet renforçant. La courbure de la fibre est tel qu’elle vient compenser l’orientation des fibres.
Les aspects géométriques de la fibre ne sont pas les seuls défis à relever pour l’utilisation de ces matériaux. La résistance mécanique des fibres naturelles est elle aussi sujette aux variations de températures et d’humidité.
Nous avons été capables de montrer dans d’autres travaux que dans le cas d’un composite constitué de polypropylène et de fibres courtes de chanvre que le polymère est plus sensible à la température que le chanvre, nous contraignant à comprendre le comportement du polymère en le dissociant du comportement de la fibre. Par contre, la fibre de chanvre est, elle, bien plus sensible à l’absorption d’eau. Cette absorption mène à un gonflement de celle-ci et dégrade de fait la cohésion entre la fibre et le polymère et peut même aller jusqu’à la dissolution de la fibre, supprimant de fait l’effet renforçant.
Chaque plante, et donc chaque fibre, est différente. Toutes ces spécificités doivent également être prises en compte dans le dimensionnement, créant ainsi une chaine d’incidences… remontant jusqu’à la récolte elle-même.