Effet des modifications de surface sur les propriétés morphologiques et mécaniques de composites à base de coquille de sarrasin et de polyéthylène ...

Effet des modifications de surface sur les propriétés
morphologiques et mécaniques de composites à base
 de coquille de sarrasin et de polyéthylène

 Mémoire

 Vahid Sadeghisarabghanbari

 Maîtrise en génie chimique - avec mémoire
 Maître ès sciences (M. Sc.)

 Québec, Canada

 © Vahid Sadeghisarabghanbari, 2021

Effet des modifications de surface sur les propriétés
morphologiques et mécaniques de composites à base de coquille
 de sarrasin et de polyéthylène

 Mémoire

 Vahid Sadeghi

 Sous la direction de:

 Denis Rodrigue, directeur de recherche

Résumé
Ce projet se concentre sur la production et la caractérisation de composites à base de
polymère thermoplastique (polyéthylène de haute densité) et de particule naturelle (coquilles
de sarrasin) comme valorisation de ces dernières. Des échantillons ont été préparés avec trois
composés différents. La première partie porte sur les coquilles non traitées et utilisées
directement dans la matrice polymère. La seconde partie porte sur les coquilles traitées
(mercerisation) avant leur introduction dans la matrice polymère, tandis que la partie finale
porte sur les coquilles traitées avec l'ajout d’un agent de couplage (polyéthylène greffé
d’anhydride maléique). Tous les échantillons ont été préparés à des concentrations de 10, 20,
30 et 40% en poids de coquilles de sarrasin pour comparer avec la matrice seule (0%). Des
plaques ont ensuite été fabriquées par moulage en compression pour préparer les éprouvettes
d'essai. Les caractéristiques morphologiques (microscopie électronique à balayage),
physiques (densité et dureté) et mécaniques (tension et impact) ont été mesurées sur les
échantillons produits. Sur la base des résultats obtenus, on remarque que certaines propriétés
mécaniques et physiques sont améliorées, mais seulement en utilisant le traitement alcalin en
combinaison avec l’agent de couplage. En général, les meilleurs résultats sont obtenus pour
une concentration de 30% en poids.

 III

Abstract
This project focuses on the production and characterization of composites based on a
thermoplastic polymer (high density polyethylene) and a natural fiber (buckwheat shells) as
a valorization of the latter. The samples were prepared with three different compounds. The
first part deals with untreated shells used directly in the polymer matrix. The second part
deals with the shells treated (mercerization) before their introduction into the polymer matrix,
while the final part deals with the shells treated with the addition of a coupling agent
(polyethylene grafted with maleic anhydride). All the samples were prepared at
concentrations of 10, 20, 30 and 40% by weight of buckwheat shells to compare with the
matrix alone (0%). Plates were then made by compression molding to prepare the test
specimens. The morphological (scanning electron microscopy), physical (density and
hardness) and mechanical (tension, bending and impact) characteristics were measured on
the samples produced. Based on the results obtained, it was observed that some mechanical
and physical properties were improved, but only by using the alkali treatment in combination
with the coupling agent. In general, the best results were obtained for a concentration of 30%
by weight.

 IV

Table des matières

RÉSUMÉ ............................................................................................................................ III
ABSTRACT ........................................................................................................................IV
TABLE DES MATIÈRES .................................................................................................. V
LISTE DES FIGURES ..................................................................................................... VII
LISTE DES TABLEAUX ..................................................................................................IX
NOMENCLATURE ............................................................................................................ X
REMERCIEMENTS ..........................................................................................................XI
INTRODUCTION GÉNÉRALE ......................................................................................... 1
CHAPTER 1. REVUE DE LA LITTÉRATURE .............................................................. 6
 CONTEXTE ................................................................................................................... 6
 MATÉRIAUX COMPOSITES .......................................................................................... 12
 1.2.1. Composites à matrice polymère (PMC) ........................................................... 12
 Thermodurcissable.................................................................................... 13
 Thermoplastique ....................................................................................... 13
 COMPARAISON ENTRE LES PARTICULES NATURELLES ET LES PARTICULES
 SYNTHÉTIQUES .................................................................................................................. 16
 COMPOSITES RENFORCÉS DE PARTICULES .................................................................. 17
 PARTICULES NATURELLES ......................................................................................... 18
 1.5.1. Types et caractéristiques de particules naturelles ............................................. 19
 1.5.2. Cellulose ........................................................................................................... 24
 1.5.3. Autres composants ............................................................................................ 25
 COQUILLE DE SARRASIN ............................................................................................ 26
 PROBLÈMES LIÉS À L'UTILISATION DES PARTICULES VÉGÉTALES COMME RENFORT ... 27
 VOIES D'OPTIMISATION DES PERFORMANCES DES COMPOSITES .................................. 28
 1.8.1. Prise en compte de la variabilité et de la source initiale de la particule ........... 28
 1.8.2. Compatibilisation des phases ........................................................................... 29
 Les méthodes physiques ........................................................................... 29
 La modification de la surface par des méthodes chimiques ..................... 30
 1.8.3. Agent de couplage ............................................................................................ 33
 L'anhydride maléique ............................................................................... 34
 Copolymérisation par greffage ................................................................. 35
 DÉVELOPPEMENT D’UN PROCÉDÉ ADAPTÉ ET OPTIMUM DE FABRICATION DES
 COMPOSITES ...................................................................................................................... 37
 PROBLÉMATIQUE, OBJECTIFS ET ORGANISATION DE LA THÈSE ............................... 38
 1.10.1. Problématique et objectifs ............................................................................ 38
 1.10.2. Organisation du mémoire ............................................................................. 39
CHAPTER 2. MÉTHODOLOGIE ET MATÉRIAUX ................................................... 40
 INTRODUCTION .......................................................................................................... 40
 LES DÉTAILS EXPÉRIMENTAUX .................................................................................. 41
 2.2.1. Matériaux .......................................................................................................... 41
 V

2.2.2. Traitement ......................................................................................................... 42
 2.2.3. Mélange ............................................................................................................ 42
 2.2.4. Moulage par compression................................................................................. 42
 2.2.5. La composition des composites ........................................................................ 44
 2.2.6. Caractérisation morphologique......................................................................... 45
 2.2.7. Densité et dureté ............................................................................................... 45
 2.2.8. Essais mécaniques ............................................................................................ 46
CHAPTER 3. RÉSULTATS .............................................................................................. 49
 CARACTÉRISATION MORPHOLOGIQUE ........................................................................ 49
 PARTICULE NON-TRAITÉE .......................................................................................... 49
 PARTICULE TRAITÉE .................................................................................................. 50
 PARTICULE TRAITÉE AVEC L'AGENT DE COUPLAGE .................................................... 51
 DENSITÉ ET DURETÉ .................................................................................................. 53
 3.5.1. Densité .............................................................................................................. 53
 3.5.2. Dureté ............................................................................................................... 54
 PROPRIÉTÉS EN TRACTION ......................................................................................... 56
 LA RÉSISTANCE AUX CHOCS ...................................................................................... 61
CONCLUSIONS GÉNÉRALES ET RECOMMANDATIONS ..................................... 64
 1 CONCLUSIONS GÉNÉRALES ........................................................................................ 64
 2 RECOMMANDATIONS ................................................................................................. 66
BIBLIOGRAPHIE ............................................................................................................. 68

 VI

Liste des figures
FIGURE 1. LE NOMBRE D'ARTICLES DE RECHERCHE SUR LES PARTICULES NATURELLES DANS LES
 COMPOSITES ENTRE 2016 ET 2020 [12]....................................................................................... 3
FIGURE 2. RÉPARTITION DE LA PRODUCTION MONDIALE DE PLASTIQUES EN 2018 (COMPREND LES
 THERMOPLASTIQUES, LES POLYURÉTHANES, LES THERMODURCISSABLES, LES ÉLASTOMÈRES,
 LES ADHÉSIFS, LES REVÊTEMENTS, LES MASTICS ET LES PARTICULES PP) [18]. ........................ 4
FIGURE 3. COMPARAISON ENTRE LA PARTICULE NATURELLE, LA PARTICULE DE VERRE ET LA
 PARTICULE DE CARBONE DANS LES COMPOSITES [19]. ............................................................... 5
FIGURE 4. APERÇU DES APPLICATIONS DES COMPOSITES DE PARTICULES NATURELLES DANS LE
 DOMAINE DE L'AUTOMOBILE [28]. .............................................................................................. 8
FIGURE 5. APPLICATIONS DES COMPOSITES DE PARTICULES NATURELLES DANS LES PRODUITS DE
 CONSTRUCTION [28]. .................................................................................................................. 9
FIGURE 6. STRUCTURE CHIMIQUE DU POLYÉTHYLÈNE [51]. ............................................................. 15
FIGURE 7. CLASSIFICATION DES COMPOSITES [58]. .......................................................................... 18
FIGURE 8. CLASSIFICATION DES PARTICULES NATURELLES [65]. ..................................................... 20
FIGURE 9. INFLUENCE DE: (A) LA DENSITÉ DES PARTICULES ET DE (B) L'ANGLE DES MICROFIBRILLES
 (MFA) SUR LE COMPORTEMENT CONTRAINTE-DÉFORMATION ET LES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
 DES PARTICULES NATURELLES. (C) MODULE DE TRACTION DE DIFFÉRENTES PARTICULES
 NATURELLES EN FONCTION DE LEUR ANGLE DE MICROFIBRILLES [63]. ................................... 22
FIGURE 10. STRUCTURE D’UNE PARTICULE NATURELLE [65]. .......................................................... 23
FIGURE 11. LA DÉPENDANCE DU MFA (Μ) EN FONCTION DE LA DÉFORMATION (Ε) MESURÉE QUI EST
 EN TRÈS BON ACCORD AVEC UN MODÈLE SUPPOSANT UNE RELATION LINÉAIRE, À SAVOIR =
 0 − ⁡[ 0] [66]. ................................................................................................................. 24
FIGURE 12. IMAGES TYPIQUES DE LA COQUE DE SARRASIN: (A) COUPE À TRAVERS LA COQUE (PE)
 MONTRANT LA SURFACE EXTÉRIEURE (OS), LES COUCHES DE PARTICULES (FL) ET
 L'EXTRÉMITÉ D'ATTACHE (AE) À LA SURFACE INTÉRIEURE DU SARRASIN (GROSSISSEMENT
 18X), (B) GROSSISSEMENT PLUS ÉLEVÉ (95X) DE L'EXTRÉMITÉ D'ATTACHE ET DES COUCHES
 DE PARTICULES À LA SURFACE INTÉRIEURE DE LA COQUE ET (C) GROSSISSEMENT ÉLEVÉ
 (470X) DES COUCHES DE PARTICULES À LA SURFACE INTÉRIEURE DE LA COQUE [74]. ........... 27
FIGURE 13. (A) RÉACTION DU MA AVEC DES PARTICULES NATURELLES ET (B) RÉACTION DU MA-G-
 PLA AVEC DES PARTICULES DE CELLULOSE [27]. .................................................................... 35
FIGURE 14. TRAITEMENT DES PARTICULES DE CELLULOSE AVEC DES POLYMÈRES FONDUS DE
 POLYPROPYLÈNE GREFFÉ D’ANHYDRIDE MALÉIQUE (MAH-PP) [27]. ..................................... 36
FIGURE 15. CLASSIFICATION DES PARAMÈTRES POUR LE MOULAGE PAR COMPRESSION DES
 COMPOSITES DE PARTICULES NATURELLES [127]. .................................................................... 43
FIGURE 16. SCHÉMA D’UNE PRESSE À COMPRESSION. ...................................................................... 44
FIGURE 17. IMAGES SEM AVEC UN GROSSISSEMENT DE 250X D'UN COMPOSITE HDPE AVEC
 DIFFÉRENTS POURCENTAGES DE COQUILLE DE SARRASIN NON-TRAITÉE: (A) 40%, (B) 30%, (C)
 20% ET (D) 10%. ....................................................................................................................... 50
FIGURE 18. IMAGES SEM AVEC UN GROSSISSEMENT DE 250X D'UN COMPOSITE HDPE AVEC
 DIFFÉRENTS POURCENTAGES DE COQUILLE DE SARRASIN TRAITÉE: (A) 40%, (B) 30%, (C) 20%
 ET (D) 10%. ............................................................................................................................... 51
FIGURE 19. IMAGES SEM À UN GROSSISSEMENT DE 250X D'UN COMPOSITE HDPE AVEC
 DIFFÉRENTS POURCENTAGES DE COQUILLE DE SARRASIN TRAITÉE AVEC AGENT DE COUPLAGE
 (MAPE): (A) 40%, (B) 30%, (C) 20% ET (D) 10%. .................................................................... 52
FIGURE 20. LA DENSITÉ DES COMPOSITES EN FONCTION DE LA CONCENTRATION DE COQUILLE DE
 SARRASIN. ................................................................................................................................. 54
FIGURE 21. TYPE DE MESURE POUR LA DURETÉ: (A) SHORE A ET (B) SHORE D [129]. ..................... 55
FIGURE 22. DURETÉ (SHORE A ET SHORE D) EN FONCTION DE LA CONCENTRATION DE COQUILLE DE
 SARRASIN. ................................................................................................................................. 56

 VII

FIGURE 23. DIFFÉRENTES DIMENSIONS DE SPÉCIMENS DE TYPE [130].............................................. 57
FIGURE 24. MODULE DE TRACTION DES COMPOSITES EN FONCTION DE LA CONCENTRATION DE
 COQUILLE DE SARRASIN............................................................................................................ 58
FIGURE 25. RÉSISTANCE À LA TRACTION DES COMPOSITES EN FONCTION DE LA CONCENTRATION DE
 COQUILLE DE SARRASIN............................................................................................................ 60
FIGURE 26. ÉLONGATION À LA RUPTURE DES COMPOSITES EN FONCTION DE LA CONCENTRATION DE
 COQUILLE DE SARRASIN............................................................................................................ 61
FIGURE 27. DIMENSIONS DES ÉCHANTILLONS DE TYPE CHARPY POUR DES ESSAI D'IMPACT [132]. 622
FIGURE 28. RÉSISTANCE À L’IMPACT CHARPY DES COMPOSITES EN FONCTION DE LA
 CONCENTRATION DE COQUILLE DE SARRASIN. ....................................................................... 633

 VIII

Liste des Tableaux
TABLEAU 1. INCONVÉNIENTS DE LA SÉLECTION DE PARTICULES NATURELLES POUR LES MATÉRIAUX
 COMPOSITES [19]. ....................................................................................................................... 7
TABLEAU 2. AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DES COMPOSITES CHARGÉS DE PARTICULES
 NATURELLES [34]...................................................................................................................... 10
TABLEAU 3. PROPRIÉTÉS PHYSIQUES MOYENNES TYPIQUES DU HDPE [49]. ................................... 16
TABLEAU 4. CARACTÉRISTIQUES IMPORTANTES DES PARTICULES NATURELLES [63]...................... 21
TABLEAU 5. RÉSUMÉ DES CARACTÉRISTIQUES ESSENTIELLES DES PARTICULES NATURELLES
 POUVANT INFLUENCER LE TRAITEMENT ET LES PROPRIÉTÉS DES NFRC [63]. ......................... 22
TABLEAU 6. DEGRÉ DE POLYMÉRISATION ( ) DE DIFFÉRENTES PARTICULES NATURELLES [27]. . 25
TABLEAU 7. COMPOSITION CHIMIQUE DES PRINCIPALES PARTICULES NATURELLES
 CONVENTIONNELLES [72]. ........................................................................................................ 26
TABLEAU 8. LA COMPOSITION DES COMPOSITES DU LOT 1. .............................................................. 44
TABLEAU 9. LA COMPOSITION DES COMPOSITES DU LOT 2. .............................................................. 45
TABLEAU 10. LA COMPOSITION DES COMPOSITES DU LOT 3. ............................................................ 45

 IX

Nomenclature
ASTM Société américaine pour les essais et les matériaux
CAGR Taux de croissance annuel composé
HDPE Polyéthylène de haute densité
LDPE Polyéthylène de basse densité
LLDPE Polyéthylène linéaire de basse densité
MA-g-PLA Polylactide greffé à l'anhydride maléique
MA-g-PP Polypropylène greffé à l'anhydride maléique
MAH-PP Polypropylène greffé d’anhydride maléique
MAPE Polyéthylène maléisé
MAPP Polypropylène maléisé
MFA Angle des microfibrilles
NFC Composite de particules naturelles
NR Particule naturelle
PMC Composites à matrice polymère
PP Polypropylène
PRF Polymères renforcés de particules
PVC Polychlorure de vinyle
RTM Moulage par transfert de résine
SEM Microscope électronique à balayage
ULDPE Polyéthylène ultra basse densité
VLDPE Polyéthylène de très basse densité

 X

Remerciements
Tout d'abord, je voudrais exprimer ma profonde gratitude et mes sincères remerciements aux
personnes qui ont cru en moi et qui m'ont permis de terminer ce travail de maitrise. Elles ont
été et continueront d'être le moteur de mes travaux de recherche dans le futur.

Je tiens à remercier chaleureusement le Professeur Denis Rodrigue qui a été pour moi un
directeur de recherche attentif et disponible malgré ses nombreuses responsabilités. Son
habileté, sa rigueur scientifique et sa prévoyance m'ont beaucoup appris.

J'exprime mon respect et ma reconnaissance à mes amis et collègues du groupe de recherche.
Je remercie également le Département de génie chimique de l'Université Laval pour le
support matériel et technique, ainsi que tous les techniciens du CRMR, du CERMA et du
CREPEC, en particulier M. Yann Giroux, pour leur aide très précieuse sur le plan
expérimental. Je remercie aussi le CERMA qui a mis à ma disposition les appareils et le
personnel affilié pour le bon déroulement et la réalisation de ce projet de recherche.

Enfin, les mots les plus simples étant les plus forts, j'étends mon affection à ma famille et
plus particulièrement à mes parents et à ma sœur. Malgré la distance et le temps, leur
confiance, leur tendresse et leur amour me portent et me guident au quotidien.

 XI

Introduction générale
Les composites sont des matériaux qui comprennent un matériau rigide comme renfort et un
matériau plus faible mécaniquement comme matrice. Le renfort contrôle la rigidité et la
résistance afin d’augmenter la résistance structurelle de la matrice [1]. La matrice (liant) peut
être organique ou inorganique. Bien que les composantes des composites conservent leurs
propriétés chimiques et physiques individuelles, leur combinaison mène à des propriétés
supérieures à chacune de composantes prisent seules [2]. Différents exemples sont présentés
dans la littérature sur l'utilisation de murs de boue renforcés par des pousses de bambou, de
structures de bois collé égyptien (1500 av. J.C.) et de métaux stratifiés (1800 après J.C.). Au
niveau technique, les particules de verre ont été utilisées pour renforcer les résines dans les
composites plus modernes vers les années 1930. Des bateaux et des avions ont été fabriqués
à partir de ces composites à base de particules de verre [3]. Depuis les années 1970,
l'utilisation des composites a largement augmentée en raison des progrès au niveau du
développement sur les procédés de fabrication et l’utilisation de nouvelles particules telles
que le carbone et le bore, ainsi que de nouveaux systèmes composites constitués de matrices
métalliques et céramiques [4].

Au cours des vingt dernières années, les particules naturelles ont été utilisées comme charges
et renfort dans les résines thermoplastiques à bas point de fusion et les thermodurcissables
[5]. En particulier, les composites à base de polypropylène (PP) ont suscité beaucoup d'intérêt
en raison de leur facilité de production, leur propriétés intéressantes et un avantage important:
la recyclabilité. Ces matériaux ont démontré de nombreux avantages surtout avec des renforts
renouvelables à faible coût qui augmente les propriétés spécifiques des matériaux comme la
rigidité et la résistance au point de vue de l'environnement par une réduction des émissions
de polluants et des gaz à effet de serre [6],[7]. La taille du marché mondial des composites
polymères renforcés de particules (PRF) représentait 114.13 milliards USD en 2016.
L'Europe et l'Amérique du Nord étaient les principaux marchés des PRF en 2016. Ces régions
représentaient ensemble environ 60% de la part totale de l'industrie. L'Amérique du Nord
représente une zone économique importante pour l'industrie avec la présence d'acteurs
majeurs et une croissance significative dans les industries des utilisateurs finaux [8]. Le
marché des 10 matériaux composites à forte croissance devrait augmenter de 69.5 milliards
USD en 2015 à 105.26 milliards USD d'ici 2021, ce qui représente un taux de croissance

 1

annuel (CAGR) de 7% pour cette période. Le principal facteur qui devrait stimuler la
croissance du marché est la forte demande. Pour les 10 meilleurs matériaux composites, les
applications principales sont: l’aérospatiale, la défense, l’éolien et le transport. Cependant, le
coût élevé de fabrication et des matières premières, ainsi que le problème de recyclabilité
associé aux composites peuvent freiner la croissance du marché. Le marché des composites
de construction devrait atteindre 6.65 milliards USD d'ici 2021, avec un CAGR de 5.8%. Les
principaux moteurs qui stimulent le marché des composites dans le domaine de la
construction sont l'augmentation de la pénétration des composites dans cette industrie,
l'urbanisation rapide et économique dans les pays émergents, la longévité et le faible coût de
maintenance de ces composites et le développement de produits innovants. Les principaux
facteurs restrictifs de ce marché comprennent les coûts initiaux élevés de production et
d'installation, ainsi que les problèmes liés à la recyclabilité [9].

Bien que de nombreuses recherches aient été menées sur le sujet des composites et qu'il existe
divers produits sur le marché, il est toujours d’actualité de poursuivre les recherches dans ce
domaine pour mieux comprendre comment les paramètres de production et la formulation
affectent les propriétés finales de ces matériaux afin de produire de nouveaux composites
avec des performances améliorées [10]. Notamment, l'utilisation de particules naturelles
comme matériaux de renforcement dans les thermoplastiques nécessite une bonne adhérence
entre la particules et la matrice polymère. À cet égard, la cellulose a un caractère très
hydrophile en raison de trois groupes hydroxyle dans son unité monomère, tandis que la
majorité des polymères sont généralement hydrophobes [11]. La matrice (organique ou
inorganique) conserve la distribution et l'orientation du renfort. Mais l'intégration des
différentes composantes permet de créer des propriétés qui autrement ne seraient présentes
dans chacune des composantes [2]. L'analyse bibliométrique de la Figure 1 montre le nombre
d'articles de recherche dans la base de données Science Direct et Nature qui répond aux
critères de recherche de références croisées définis. Par termes de recherche on pense à:
composite ‘nom de la particule’ et par titre ou mot-clé on pense à: ‘nom de la particule’, y
compris les noms alternatifs par exemple, coco, noix de coco et particules de coco, de l'année
2016 à septembre 2020 [12]. Les sites Scopus [13] et Web of Science [14] ont utilisés dans
cette analyse bibliographique.

 2

jusqu'en septembre 2020 2019 2018 2017 2016

 180 168
 160 143 144
 140 121 125
 118
 120 110
 99 103
 100 88
 88 86
 80 71 70
 66 67
 57 60
 60 50 46 50
 40 42
 40 43 42
 39
 29 34 29 35
 40 19 24
 16
 11 13 16
 20 21532 20 62 20 910 44 34 22948 25
 01 10
 0

Figure 1. Le nombre d'articles de recherche sur les particules naturelles dans les composites
 entre 2016 et 2020 [12].

Comme expliqué précédemment, l'utilisation de particules naturelles possède des racines
historiques. Aujourd'hui, les particules naturelles et synthétiques sont utilisées pour renforcer
différents types de matrices. Les préoccupations environnementales ont également conduit
les scientifiques et diverses industries à accorder plus d'attention aux particules végétales.
Dans la suite de ce document, plusieurs types de matrices, des particules naturelles, ainsi que
diverses types de composites largement utilisés sont présentés. En particulier, nous nous
concentrons sur les composites polymères dans lesquels les thermoplastiques sont utilisés
comme matrices et les particules végétales sont utilisées comme renforts.

Avec une population et une activité humaine croissantes, la quantité de déchets solides
augmente, de sorte que la recherche de processus, de produits et de recyclage ou d'utilisation
respectueux de l'environnement a attiré une grande attention. De nombreuses recherches sont
en cours dans différentes parties du monde pour répondre aux préoccupations
environnementales en utilisant des matériaux et des composites produits à partir de
ressources renouvelables. À cet égard, les composites comprenant des matrices de polymère
et des particules naturelles suscitent beaucoup d'intérêt, surtout celles qui peuvent présenter
des propriétés et des performances intéressantes à un coût raisonnable. Récemment, de
nombreux polymères synthétiques ont été appliqués sous forme de matrices pour fabriquer
des composites renforcés de particules naturelles (NFRC) pouvant être appliqués dans les
secteurs de l'automobile, de l'électronique, de l'emballage, de la construction et de la

 3

biomédecine. Compte tenu des préoccupations environnementales et de l'augmentation de la
consommation de produits en plastique dans les communautés, les scientifiques développent
de nouvelles méthodes pour réduire les effets nocifs des matières plastiques sur
l'environnement. Des recherches récentes ont montré que la quantité de pollution reliée aux
micro-plastique dans les océans est supérieure à ce que nous pensions dans le passé [15].
Parmi les déchets solides municipaux, la quantité la plus élevée est liée aux polyoléfines et
la quantité la plus importante appartient au polyéthylène (PE) et au polypropylène (PP) [16].
Dans la Figure 2, la consommation de plastique dans le monde était de 359 millions de tonnes
en 2018, tandis que la production de plastique était de 348 millions de tonnes en 2017, ce qui
montre une croissance de 11 millions de tonnes sur un an [17].

 60%
 51%
 50%
 40%
 30%
 18% 17%
 20%
 7%
 10% 3% 4%
 0%
 Nafta Europe CIS Asia Latin Middle
 America East, Africa

 Figure 2. Répartition de la production mondiale de plastiques en 2018 (comprend les
 thermoplastiques, les polyuréthanes, les thermodurcissables, les élastomères, les adhésifs,
 les revêtements, les mastics et les particules PP) [18].

L'application de composites à base de particules naturelles a augmenté au cours des années
car ces composites présentent d’excellente propriétés en général, sauf pour leur résistance (la
résistance du verre et de la particule de carbone est plus élevée que celle de la particule
naturelle). La Figure 3 montre une comparaison entre les propriétés et les conditions de
production de différents composites [19]. Étant donnée la culture du sarrasin en Amérique
du Nord, cette culture peut être considérée comme une source bon marché et disponible pour
la production de composites. De plus, les coquilles de sarrasin sont une source de pollution
environnementale car elles sont très peu utilisées actuellement.

 4

Particule naturelle Particule de carbone
 Particule de verre
 Particule de verre
 Particule naturelle
 Compatibilité
 Poids
 d'environnement

 Consommation
 La sécurité du travail
 d'énergie

 Résistance à la
 Coût
 traction

 Spec. Poids Recyclable

 Force Prix

 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 5 6

Figure 3. Comparaison entre la particule naturelle, la particule de verre et la particule de
 carbone dans les composites [19].

 5

Chapter 1. Revue de la littérature

 Contexte
Chaque seconde, une surface de forêt équivalente à 19 courts de tennis disparaît, le désert
augmente de 78 m2 en Chine, 1600 t de glace fondent au Groenland et 720 t de dioxyde de
carbone (CO2) sont émis à partir du pétrole dans l’atmosphère [20]. Ces chiffres montrent
qu’il est crucial de prendre en compte les effets de l’activité humaine sur l’environnement.
En effet, nous expérimentons des changements climatiques qui sont très probablement, au
moins en partie, déclenchés par cette activité humaine telle que l'utilisation des ressources
fossiles, en libérant des substances dans l'atmosphère qui étaient liées dans les profondeurs
de la planète depuis des centaines de milliers d'années [21]. Le besoin d'une utilisation
globale et plus viable des ressources est donc nécessaire. Fort heureusement, suite à une prise
de conscience croissante de l'interconnexion des facteurs environnementaux, des concepts
tels que le développement durable ou la durabilité, l'écologie industrielle, l'éco-efficacité, la
chimie et l'ingénierie «verte» ont été intégrés dans le développement de la nouvelle
génération de matériaux, de produits et de procédés, non comme des slogans néologismes,
mais plutôt comme des principes qui doivent guider ce développement [22],[23].
L'épuisement des ressources pétrolières, couplé avec l'augmentation des réglementations
environnementales, a agi en synergie pour fournir l'impulsion de nouveaux matériaux et
produits qui sont compatibles avec l'environnement et indépendants des combustibles
fossiles [24].

Il existe de nombreuses raisons positives d'utiliser des particules naturelles renforçant le
composant dans les polymères, en même temps il existe également plusieurs inconvénients
lors de la préparation de matériaux composites avec ces particules. Le Tableau 1 présente un
résumé des avantages et des inconvénients de la sélection de particules naturelles pour les
matériaux composites. Les principaux inconvénients des particules naturelles dans les
composites respectifs sont la mauvaise compatibilité entre la particule et la matrice et leur
absorption d’humidité relativement élevée. Par conséquent, les modifications des particules
naturelles sont considérées comme conduisant à un changement des propriétés de surface des
particules pour améliorer leur adhérence avec différentes matrices [19].

 6

Tableau 1. Inconvénients de la sélection de particules naturelles pour les matériaux
 composites [19].

 Caractéristique Désavantage
 Les particules absorbent l’humidité qui provoque un
 gonflement. Les propriétés de résistance sont inférieures
 Physico-mécanique
 à celles des composites à base de particules de verre, en
 particulier la résistance aux chocs.
 Génération d’odeurs due au processus de dégradation.
 Les températures de traitement maximales sont limitées,
 En traitement notamment en ce qui concerne la particule de verre.
 Certaines particules doivent être granulées afin
 d’augmenter la densité apparente.
 Durabilité relativement faible due à l’attaque des
 champignons, aux intempéries, etc. Fluctuations de prix
 Environnement relativement importantes en raison des résultats de
 récolte ou de la politique agricole. Qualité variable en
 fonction de facteurs imprévisibles comme la météo.

Étant donnée la culture du sarrasin en Amérique du Nord, cette culture peut être considérée
comme une source bon marché et disponible pour la production de composites. De plus, les
coquilles de sarrasin sont une source de pollution environnementale car elles sont très peu
utilisées actuellement.

Le domaine des composites ne fait pas exception à ce nouveau paradigme. Bien au contraire, les
réglementations sur la protection de l’environnement, la gestion des déchets et le recyclage des
matériaux ont contraint les chercheurs et les industriels à développer de nouveaux composites
issus de ressources renouvelables, réduisant ainsi la pression sur l'environnement. L’utilisation
de particules naturelles (bois, chanvre, lin, etc.) comme renforts pour les plastiques au détriment
des particules de verre, de carbone et de charges minérales a constitué la particularité de cette
catégorie de nouveaux matériaux. Le développement des composites renforcés de particules
naturelles a été l'une des réalisations remarquables dans le domaine de la science des matériaux
au cours du siècle dernier [19]. Plusieurs investigations ont été menées pour renforcer différents

 7

types de plastiques tels que les thermodurcissables et les thermoplastiques [25],[26],[27]. L'idée
principale derrière l'introduction des particules naturelles dans les plastiques était de réduire le
coût des matières premières et les problèmes environnementaux, tout en produisant des matériaux
avec des propriétés acceptables [28],[29].

 Figure 4. Aperçu des applications des composites de particules naturelles dans le domaine
 de l'automobile [28].

Ainsi, la gamme des produits était limitée à des composants intérieurs et non-structurels
(Figures 4) tels que les panneaux de portes, tablettes arrières, tableaux de bord, panneaux de
sécurité, panneaux acoustiques etc. dans les véhicules [19,28,30,31]. Cependant, ces
dernières décennies ont vu les composites de polymères renforcés de particules naturelles
connaître une évolution remarquable. Ces matériaux sont de plus en plus utilisés comme

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nouvelles compositions et des procédés ont été intensivement étudiés, développés et
appliqués [32]. En outre, ils sont de plus en plus acceptés dans des applications intérieures et
structurelles (Figure 5) telles que les clôtures, terrasses, toitures, balustrades, gainages et
revêtements, bancs de parcs, ainsi que dans divers domaines, principalement celui de la
construction [28],[32].

 Figure 5. Applications des composites de particules naturelles dans les produits de
 construction [28].

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Cette utilisation des composites de particules naturelles dans les applications structurelles
nécessite que ces matériaux disposent de hautes performances. Afin de se développer dans
des marchés autres que l'automobile, tels que la construction commerciale et les biens de
consommation, ces composites ont besoin de hautes performances et de haute qualité, de la
reproductivité, de la durabilité et des normes de fiabilité [19]. En outre, comme tous les
matériaux, les composites de particules naturelles sont constamment sous la pression
concurrentielle du marché mondial. Dans un tel contexte, les industries, pour être
compétitives, sont à la recherche de matériaux innovants, mais également performants et
moins coûteux, ce qui nécessite que la recherche continue [32].

En 1896, les sièges d'avion et les réservoirs de carburant étaient constitués de particules
naturelles et d'une matrice d'adhésifs polymères. Au début (vers 1908), les premiers
composites de particules naturelles ont été utilisés dans les produits électroniques en utilisant
du papier et du coton pour renforcer les feuilles de résines phénol et mélamine-formaldéhyde
[33]. Au cours des deux dernières décennies, la production de composites polymères à base
de particules naturelles a augmenté. Ces composites sont composés de deux parties: une
matrice polymère et des particules naturelles. Moins de matériaux synthétiques sont utilisés
dans ces composites en raison de l'utilisation de particules naturelles [11]. Dans le Tableau
2, certains des avantages et inconvénients des composites à base de particules naturelles sont
mentionnés [34].

Tableau 2. Avantages et inconvénients des composites chargés de particules naturelles [34].

 Avantages Désavantages
 Rigidité Faible résistance à l'humidité
 Raideur Mauvaise résistance au feu
 Poids léger Moins de résistance aux acides
 Haute résistance électrique
 Ressource renouvelable
 Biodégradabilité
 Bonne isolation thermique et acoustique

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En résumé, les particules naturelles dans la production de composites ont suscité beaucoup
d'intérêt en raison du rapport rigidité/poids, des faibles coûts des matières premières, de la
biodégradabilité et de la recyclabilité. De plus, on réduit les émissions de CO2 par rapport à
leurs équivalents classiques tels que les particules de verre et de carbone [35]. Différentes
particules sont généralement utilisées pour les composites qui utilisent le plastique comme
matrice. Les particules naturelles ont été classées selon leur nature à base de plantes, à base
de minéraux et à base d'animaux. Les conditions climatiques et l'âge de la plante affectent la
structure des particules végétales, ainsi que leur composition chimique [27].

Les données expérimentales sur les propriétés mécaniques, en particulier lorsqu'elles sont testées
dans différentes conditions de traitement, ont montré des valeurs incohérentes dans de nombreux
cas [36]. Les caractéristiques irrégulières des particules naturelles sont l'une des principales
raisons [37]. Différents traitements sont utilisés pour améliorer l'adhérence matrice- particule
dans les composites renforcés de particules naturelles. Actuellement, cette étape est considérée
comme critique dans le développement de ces matériaux. Les méthodes de modification de
surface peuvent être physiques ou chimiques selon la manière dont elles modifient la surface de
la particule. D'autres traitements fréquemment utilisés sont le blanchiment, l'acétylation et le
traitement alcalin. La principale méthode chimique utilisée dans la modification de surface des
particules naturelles est le couplage chimique [38].

La modification de la surface des particules est utilisée afin d'améliorer la compatibilité particule-
polymère et l’adhésion interfaciale [39]. Sans un tel traitement, les particules naturelles dans une
matrice polymère génèrent des interfaces instables et la contrainte appliquée à la particule et au
composite polymère n'est pas efficacement transférée de la matrice à la particule et l'effet de
renforcement bénéfique de la particule reste sous-exploité. De même, la faible capacité du
polymère à mouiller la particule empêche la dispersion homogène de particules courtes à
l'intérieur de la matrice polymère [40]. Quelques stratégies sont disponibles pour modifier la
surface des particules et pour améliorer la compatibilité entre les particules de cellulose et les
matrices polymères. La modification chimique à l'aide d'agents de couplage portant deux
groupements réactifs, dont l'un est susceptible de réagir avec la fonction OH à la surface de la
particule, tandis que l'autre est laissé réagir avec la matrice, constitue une voie très intéressante
permettant l'établissement de la liaison covalente entre les particules et les matrices, conduisant
ainsi à des matériaux aux propriétés mécaniques élevées [41,42].

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Matériaux composites
Comme le terme l’indique, le matériau composite désigne un matériau différent des
matériaux courants. Aujourd’hui, les matériaux composites se réfèrent à des matériaux ayant
des particules solides continues ou non-continues entourées d'un matériau (matrice) plus
faible mécaniquement. La matrice sert à transmettre la charge aux particules et également à
répartir/protéger les particules [43]. Les composites peuvent être classés en fonction du
matériau de la matrice, qui peut être un polymère, un métal, du carbone, une céramique ou
un ciment [44]. Les matériaux composites sont une synthèse de deux ou plusieurs
constituants, dont l'un est présent dans la phase matricielle et un autre peut être sous forme
des particules ou de particules. L'utilisation de particules synthétiques ou naturelles dans la
fabrication de matériaux composites a révélé des applications considérables dans différents
domaines tels que la construction, l'automobile, l'aérospatiale, la mécanique, le biomédical
et la marine [15]. Pour mieux comprendre le sujet, les composites peuvent être divisés en
quatre catégories générales selon le type de composite, le procédé de fabrication et les
particules qui y sont utilisées [24]. Les matériaux composites sont classés en fonction de leur
contenu comme le matériau de base et le matériau de remplissage. Le matériau de base, qui
lie ou maintient le matériau de remplissage dans des structures, est appelé matrice ou liant,
tandis que le matériau de remplissage est présent sous la forme de feuilles, fragments,
particules, particules ou autres à base de matériaux naturel ou synthétique [16].

1.2.1. Composites à matrice polymère (PMC)
Les composites à matrice polymère sont les composites les plus courants maintenant. La
structure de ces composites comprend un polymère thermoplastique ou thermodurcissable
qui est renforcé par différentes particules. Ces matériaux peuvent être dans plusieurs formes
et tailles. Ils ont une résistance et une rigidité appropriées et sont également résistants à la
corrosion. Les principales raison pour lesquelles ces composites sont utilisés sont leur
fabrication simple, leur faible coût et leur grande résistance [45]. L'agent liant ou la matrice
dans le composite possède une importance vitale. Les résines polymères sont généralement
classées en deux groupes: thermodurcissables et thermoplastiques [2].

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Thermodurcissable
Les thermodurcissables sont des matériaux durs et rigides qui ne deviennent ni moulables ni
ne ramollissent lorsqu'ils sont chauffés après leur mise en forme initiale. Les
thermodurcissables sont rigides et ne s'étirent pas comme les élastomères et les
thermoplastiques. Divers types de polymères ont été utilisés comme matrices pour les
composites. Les résines époxy et autres résines, comme l'ester vinylique, l'époxy phénolique,
le novolac, etc., sont généralement utilisées comme matrices dans les composites renforcés
de particules. De nombreux scientifiques ont étudié le renforcement du polyester avec des
particules cellulosiques seules comme par exemple le polyester-jute, polyester-sisal,
polyester- particule de coco, polyester-paille, polyester-feuille d’ananas ou hybrides comme
le polyester-banane-coton et le polyester-coton-kapok [46].

 Thermoplastique
Les thermoplastiques sont des matériaux qui deviennent moulables ou se ramollissent
lorsqu'ils sont chauffés. Après refroidissement, ces matériaux conservent leur forme. De plus,
les thermoplastiques conservent souvent leurs propriétés initiales après avoir été réchauffés
et reformés. Voici une liste non-exhaustive de résines thermoplastiques qui ont été utilisées
comme matrices pour les composites renforcés de particules naturelles:

 • Polyéthylène haute densité (HDPE)
 • Polyéthylène basse densité (LDPE)
 • Polyéthylène chloré (CPE)
 • Polypropylène (PP)
 • Polystyrène (PS)
 • Chlorure de polyvinyle (PVC)
 • Mélanges de polymères
 • Thermoplastiques recyclés

Afin de limiter la dégradation des particules naturelles pendant les procédés de mise en
œuvre, seuls les thermoplastiques dont la température de mise en œuvre ne dépassant pas
environ 200°C peuvent être utilisés. Ceci s’applique pour les polyoléfines comme le
polyéthylène et le polypropylène. Les thermoplastiques techniques, telles que les
polyamides, les polyesters et les polycarbonates nécessitent des températures supérieures de

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traitement et sont difficilement utilisables pour de tels composites sans dégrader les particules
[47].

1.2.1.2.1. Le polyéthylène
Au début des années 1930, une équipe de chimistes des laboratoires d'Imperial Chemical
Industrie en Angleterre a commencé des expériences dangereuses. Ils ont évalué des réactions
chimiques à haute pression et ils ont tenté de fabriquer une molécule « géante » avec de
l'éthylène. L'éthylène, un gaz issu du craquage du pétrole, est une substance relativement
inerte et difficile à polymériser. Pour activer ces molécules et comprimer le gaz à une densité
suffisante pour créer une bonne probabilité que les molécules forment de longues chaînes,
les chimistes anglais utilisaient des pressions élevées de plus de 1000 atmosphères et des
températures élevées de plus de 300℃. Cette configuration invitait des explosions, et en fait
leur appareil explosait de temps en temps. Mais leur travail dangereux n'a pas été sans
récompense. Ils ont réussi à combiner les molécules d'éthylène gazeux en un haut polymère
qui a pris la forme d'un solide. L'éthylène avait été polymérisé avant cela en molécules à
chaîne plus petite, formant des huiles et des graisses. Mais le nouveau polyéthylène solide
était d'un tout autre ordre de substance, doté de propriétés très intéressantes. C'était un
matériau résistant et souple avec une sensation cireuse. Il était imperméable aux produits
chimiques et aux champignons et constituait un excellent isolant électrique. Le polyéthylène
fut bientôt utilisé comme isolant pour les câbles sous-marins, mais aussi comme isolant dans
les équipements radar, alors en cours de développement. Le radar n'aurait probablement pas
joué un rôle aussi important pendant la Seconde Guerre mondiale si ce matériau isolant
extrêmement efficace n'avait pas été disponible [48].

1.2.1.2.2. Structure moléculaire du polyéthylène
le polyéthylène est produit à partir d'éthylène gazeux de formule 2 4 et d'un poids
moléculaire de 28 g/mole [49]. En général, le polyéthylène est constitué d'un long squelette
de carbone dans lequel chaque carbone est attaché à une paire d'atomes d'hydrogène. Les
deux extrémités de cette chaîne carbonée est un groupe méthyle. La Figure 6 présente cette
structure schématiquement. La forme simple des résines de polyéthylène comprend les
alcanes formés avec la formule⁡ 2 4 +2 , où n est le nombre de monomères d'éthylène
polymérisés qui conduit à la création de la chaîne (degré de polymérisation) [50]. Les

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