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Jan 19, 2024

Effet des fibres fiques et de son traitement par

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15143 (2022) Citer cet article

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Ce travail examine la morphologie, les propriétés mécaniques et thermiques de biocomposites à base de résine époxy-EP et de fique (Furcraea andina), une culture indigène d'Amérique du Sud. Les biocomposites EP-fique ont été préparés à l'aide de poudre de fique-FP, un déchet industriel généré lors du traitement de la fique, de nattes de fibres de fique non tissées-NWF et de nattes de fibres de fique unidirectionnelles-UF orientées à 0° et 90°. L'ajout de fique dans la matrice EP limite le mouvement des chaînes de macromolécules EP et améliore la stabilité thermique de l'EP. Les images SEM ont montré que la forme fique utilisée (poudre ou fibre) et la disposition du tapis peuvent générer des changements dans la morphologie des biocomposites. La caractérisation mécanique montre que la poudre de fique et les fibres de fique orientées à 90° agissent comme des charges pour la matrice époxy tandis que les fibres de fique orientées à 0° renforcent la matrice EP augmentant le module de traction et de flexion jusqu'à 5700 et 1100 % respectivement et la résistance à la traction et à la flexion jusqu'à 277 % et 820 % par rapport à l'EP pur. Les résultats obtenus peuvent accroître l'intérêt pour la recherche et le développement de produits à partir de poudres de fique et d'autres sous-produits de transformation de fibres naturelles, réduisant ainsi l'abondance de déchets dans le sol et les décharges et les préoccupations environnementales et suggèrent que les biocomposites EP-fique sont prometteurs pour être utilisés dans le secteur automobile.

Les fibres de fique sont extraites de la plante de fique (Furcraea andina), originaire de la région andine d'Amérique du Sud, qui présente des caractéristiques très similaires au sisal et au henequen1. Le ministère colombien de l'Agriculture et du Développement rural a établi qu'en 2020, environ 19 000 tonnes de plantes de fique ont été produites dans le pays2. Le traitement du fique comprend plusieurs étapes : coupe des feuilles, déchiquetage, fermentation, séchage et emballage. Cependant, il a un faible taux d'efficacité, puisque seulement 4% de la feuille (fibres) est utilisée et commercialisée et les 96% restants (poudre et bagasse) sont généralement jetés dans le sol et les décharges, ce qui entraîne de graves problèmes environnementaux en raison de leur forte production et accumulation (environ 100 tonnes par an). Les fibres sont utilisées pour l'artisanat et la fabrication de sacs avec des métiers à tisser rustiques, utilisant des technologies traditionnelles à très faibles performances. En principe, le défi pour les fiques secteurs agricoles et industriels consiste à rechercher des alternatives pour utiliser les sous-produits rejetés et fabriquer des produits à haute valeur agrégée avec les fibres. Des recherches récentes ont montré que les fibres fiques peuvent rivaliser avec d'autres fibres naturelles connues pour produire des biocomposites renforcés ou des composites renforcés de fibres naturelles (NFRC) pour des applications technologiques. L'intérêt pour l'utilisation de fibres naturelles, telles que le fique, pour le développement de matériaux alternatifs s'est accru ces dernières années. Principalement, pour la fabrication de nouveaux produits durables avec des coûts et des émissions de CO2 réduits, des possibilités de recyclage, une biodégradabilité, des performances améliorées des matrices polymères et cimentaires, un poids plus faible et une disponibilité élevée3,4. Ces caractéristiques pourraient être considérées comme un avantage par rapport aux matériaux composites à base de fibres synthétiques telles que le verre ou le carbone, qui présentent des problèmes de dépendance au pétrole et de gestion des déchets après leur cycle de vie.

Plusieurs études ont montré que les propriétés mécaniques des biocomposites sont influencées par plusieurs facteurs tels que la teneur en fibres5,6, les traitements chimiques des fibres7, la géométrie et l'orientation des fibres naturelles8, et la différence des mécanismes de rupture entre les particules, les biocomposites renforcés de fibres courtes et longues9.

Salman et al.10 ont étudié les propriétés mécaniques et morphologiques du kénaf tissé orienté à 0°/90° et 45°/ − 45° et de ses biocomposites à base de résines époxy, polyester et vinylester. Leurs résultats montrent que l'orientation des fibres 0°/90° induit les meilleures propriétés mécaniques (résistance à la traction, à la flexion et module) dans les biocomposites. Une autre étude menée sur l'effet de la teneur en fibres et de l'orientation sur les propriétés mécaniques des composites hybrides époxy-jute-Kevlar par Maharana et al.11 a révélé qu'une charge de fibres de 40 % avec une orientation des fibres à 30 ° améliore les propriétés de traction du composite hybride, tandis que les propriétés de flexion étaient maximisées pour une charge de fibres de 40 % avec une orientation des fibres à 45 °. Prabakaran et al.12 ont étudié l'effet de l'orientation des fibres sur les propriétés mécaniques des composites époxy-fibres de verre orientés à 0°/90° et des composites mats non tissés. Leurs résultats montrent que les composites à base de mat non tissé spirographe présentent une orientation des fibres quasi-isotrope et de meilleures performances mécaniques par rapport aux composites stratifiés tissés. Ces dernières années, des biocomposites à base d'époxy, utilisant la biomasse lignocellulosique comme la paille de blé13, la banane, le kénaf14, le bambou15, le sisal16, la farine de pierre de dattier17, ont été signalés et produits.

Cet article se concentre sur la question de savoir si les tapis de fibres fiques (non tissés et orientés à 0° et 90°) et la poudre peuvent être utilisés efficacement pour la fabrication de biocomposites à base d'époxy. Dans cette étude, les biocomposites à base d'époxy ont été fabriqués en utilisant le procédé d'infusion de film de résine. L'effet de la fique sur la morphologie, les propriétés thermiques, de traction et de flexion a également été évalué. Ces caractérisations sont importantes pour développer des solutions alternatives pour l'industrie. Nous visons à évaluer l'utilisation de cette fibre naturelle et de ses résidus de transformation en poudre comme renfort pour les biocomposites à base d'époxy afin de générer un impact positif sur les économies régionales, le développement technologique et d'élargir la gamme d'applications fiques. L'étude de faisabilité, présentée ici, utilisée pour développer des prototypes de pièces automobiles à partir des biocomposites présentés, en utilisant un processus évolutif et l'inclusion d'un sous-produit agro-industriel hautement produit comme charge pour la production de biocomposites, soutient la nouveauté de cet article. De plus, les résultats obtenus peuvent accroître l'intérêt pour la recherche et le développement de produits à partir de poudres de fique et d'autres sous-produits de traitement de fibres naturelles, réduisant ainsi l'abondance de déchets dans le sol et les décharges et les préoccupations environnementales.

La Résine Epoxy utilisée (EP) était un système Epoxy à usage général et à faible module basé sur une résine Epoxy de faible viscosité de type Bisphénol A, référence ''R3610", et un durcisseur amine cycloaliphatique modifié, référence ''E-1610". La résine époxy et le durcisseur ont été achetés chez Sintepox (Bogota-Colombie). Le système époxy a été préparé en mélangeant la résine époxy et le durcisseur, en utilisant un rapport de mélange de 50:50 (% poids/poids). La densité de mesure moyenne de l'EP durci était de 1,11 ± 0,03 g/cm3. Ces mesures ont été réalisées selon la norme ASTM D792-13 au moyen de la méthode d'Archimède, à l'aide d'un densimètre solide multifonction DA-300 (Dahometer, Chine).

Les tapis de poudre de fique (FP) et de fique unidirectionnelle (UF) ont été fournis par "Empaques del Cauca" (Popayan-Colombie). Le FP est un déchet de traitement généré lors du traitement des fibres fiques et n'a été tamisé qu'à travers un tamis de 400 µm. Des tapis de fibres de fique industriels non tissés (NWF) ont été fournis par "Packaging Company of Medellin" (Medellin-Colombie). Les tapis UF et NWF ont été utilisés tels que reçus et séchés dans un four à 80 °C pendant 24 h avant la fabrication des biocomposites (Fig. 1). La densité moyenne de fique était de 0,78 ± 0,09 g/cm3. ce document, se conformer aux directives et législations institutionnelles, nationales et internationales pertinentes.

Fique brute : (a) poudre (FP), (b) tapis non tissé (NWF), (c) tapis unidirectionnel (UF).

Les feuilles de biocomposites EP et EP-fique pures ont été fabriquées en utilisant la technique d'infusion de film de résine dans un moule en téflon (300 mm × 300 mm). Pour tous les biocomposites, la composition EP-fique était de 70/30 (% wt/wt) ou 62/38 (% v/v) selon les mesures de densité. Pour les tapis EP-fique, la surface du moule en téflon a d'abord été recouverte d'une fine couche d'EP, puis des tapis de fique ont été placés sur le moule pour obtenir trois arrangements différents : EP-NWF utilisant le non-tissé fique et EP-UF utilisant des fibres orientées à 0° et 90° (voir Fig. 4). Après cela, les tapis de fique ont été remplis de plus d'EP et ont été laissés pour être absorbés. Pour le biocomposite EP-FP, l'EP et le FP ont été mélangés manuellement jusqu'à l'obtention d'un mélange homogène. Ce mélange a été laissé pendant 5 min dans une chambre à vide pour perdre toutes les bulles d'air produites lors du mélange pendant 5 min puis étalées dans le moule. Enfin, le moule a été placé à l'intérieur d'un film souple et laissé durcir sous vide pendant 24 h à température ambiante (Fig. 2).

Processus d'infusion de film de résine (à gauche) et feuilles biocomposites EP et EP-FP pures obtenues avec le processus d'infusion de film de résine (à droite).

Les feuilles de biocomposites EP-fiques obtenues montrent que la technique d'infusion de film de résine permet la fabrication de feuilles homogènes avec des fibres et de la poudre de fique bien réparties qui pourraient être utilisées pour des pièces automobiles à grande échelle. En utilisant la méthode proposée, les fibres naturelles et les déchets transformés peuvent être utilisés dans la production industrielle.

Lorsque les feuilles de biocomposites EP et EP-fique étaient prêtes, elles ont été retirées des moules et découpées en différentes éprouvettes de traction et de flexion à l'aide d'un coupe-jet d'eau (Protomax-Omax, Kent, USA). La procédure de découpe au jet d'eau a été sélectionnée en raison de la sensibilité des matériaux aux températures élevées générées par d'autres méthodes de découpe.

Parmi les biocomposites étudiés, l'EP-UF 0° a été sélectionné pour assembler deux pièces automobiles afin d'observer la fonctionnalité de ces matériaux dans un processus de fabrication réel, tel que l'infusion de film de résine. La fraction pondérale EP-UF était de 70/30 (% wt/wt) ou 62/38 (% v/v) et a été sélectionnée en raison de ses résultats de caractérisation mécanique (voir la section "Propriétés mécaniques"). Pour obtenir les pièces prototypes, deux moules composés de deux cavités (mâle et femelle) ont été fabriqués à l'échelle en raison des ressources limitées dans la zone de travail de la fraiseuse CNC, où la coupe du bois était effectuée. Après la préparation des moules, les pièces ont été fabriquées selon la méthodologie expliquée dans "Biocom pose la section préparation''. La figure 3 montre les moules utilisés et la disposition des tapis et de la résine dans le moule avant le processus de conservation.

Moules et configuration utilisés pour la fabrication de pièces automobiles avec le procédé d'infusion de film de résine.

Un microscope électronique à balayage (SEM) Phenom PRO X (Thermo Fisher Scientific, États-Unis) a été utilisé pour balayer la zone de section transversale, la distribution des fibres et poudres fiques et les caractéristiques morphologiques dans la masse des échantillons. Les échantillons ont été immergés dans de l'azote liquide pendant 15 min pour obtenir une rupture fragile et ont été recouverts d'or par pulvérisation cathodique pour augmenter leur conductivité électrique. Une tension de 10 kV a été appliquée et des grossissements de 500 × et 2000 × ont été pris.

La résine époxy pure, les biocomposites à base d'époxy-fique, la poudre de fique et les fibres de fique ont été caractérisés thermiquement par DSC et TGA (données disponibles dans les informations supplémentaires). Les tests DSC de la résine Neat Epoxy, des biocomposites à base d'Epoxy-fique ont été effectués à l'aide d'un calorimètre à balayage différentiel TA Q2000 (Texas Instruments, Dallas, TX, USA) dans les conditions suivantes :

Atmosphère d'azote

Vitesse de balayage de 10 °C/min

Poids de l'échantillon 10 mg

Les échantillons ont d'abord été soumis à des cycles de chauffage allant de 20 à 150 °C pour effacer l'historique thermique lié aux événements de traitement. Il a été suivi de cycles de refroidissement ramenant la température de 150 à − 20 °C. Enfin, les seconds cycles de chauffe passent de − 20 à 150 °C. Pour cette étude, les cycles de refroidissement et de deuxième chauffage ont été rapportés.

Des tests d'analyse thermogravimétrique (TGA) ont été effectués à l'aide d'un thermogravimètre TA Q500 (Texas Instruments, Dallas, TX, USA) avec une montée en température commençant à 25 à 600 °C à une vitesse de chauffage de 10 °C/min. Les échantillons DSC et TGA ont été analysés dans des creusets en aluminium sous une atmosphère de N2.

Des essais de traction et des essais de flexion trois points ont été réalisés dans une machine d'essai universelle INSTRON Modèle 3366 (INSTRON, Norwood, MA, USA) dans les conditions suivantes :

Le conditionnement a été effectué à 23 °C et 50 % d'humidité relative pendant sept jours

Des essais de traction ont été effectués à l'aide d'un extensomètre axial INSTRON modèle 2630 (longueur de jauge 50 mm) (INSTRON, Norwood, MA, USA) et d'éprouvettes de type I (ASTM-D 638-14) en utilisant une vitesse de traverse de 5 mm/min.

Des essais de flexion ont été effectués sur des barres de section rectangulaire (12,5 mm * 3 mm), en utilisant une vitesse de traverse de 1,3 mm/min, une distance entre les portées de support de 50 mm jusqu'à 5 % de déformation selon la norme ASTM D 790-17.

Les résultats ont été tirés d'une moyenne de cinq échantillons.

La figure 4 montre les spécimens de biocomposites EP-fique utilisés pour les essais de traction et de flexion. Pour les biocomposites EP-FP (Fig. 4a), des particules de poudre de fique bien réparties ont été observées à la surface. Dans les biocomposites des tapis de fique, on peut observer de longues fibres de fique orientées à 0° (Fig. 4b), 90° (Fig. 4c) et dans un arrangement aléatoire bidimensionnel (Fig. 4d).

Échantillons de traction et de flexion de (a) EP-FP (b) EP-UF 0° (c) EP-UF 90° et (d) EP-NWF biocomposites.

Les propriétés de traction et de flexion des matériaux ont été soumises à une analyse de variance (ANOVA) et le test de Tukey a été appliqué au niveau de signification de 0,05. Toutes les analyses statistiques ont été effectuées à l'aide de la version 12 du logiciel statistique Minitab (Pennsylvanie, États-Unis).

La figure 5 montre l'influence de l'ajout de fique sur les propriétés mécaniques EP (données disponibles dans les informations complémentaires). Ces résultats sont également résumés et présentés dans le tableau 1.

Contrainte moyenne de traction et de flexion par rapport à la déformation des EP purs et de leurs biocomposites EP-fiques.

Les tests de traction montrent que l'incorporation de poudre et de fibres fiques génère des augmentations significatives (p < 0,05) des valeurs de module de traction (TM) entre 2600 et 5700% pour EP-FP et EP-UF 0° (UF orienté parallèlement à la charge appliquée) par rapport à la matrice EP pure. Cet effet de raidissement est causé par les propriétés mécaniques plus élevées de la fique et une diminution de la mobilité EP due aux fibres de fique observées dans les tests DSC (section "Propriétés thermiques").

La résistance à la traction (TS) de EP-FP et EP-UF 90° (UF orientée perpendiculairement à la charge appliquée) n'était pas significativement différente de EP (p ≥ 0,05). Cependant, les valeurs TS de EP-NWF et EP-UF 0° ont augmenté de 71 et 277 % respectivement, par rapport à EP. Ces résultats montrent que la poudre de fique et les tapis de fique unidirectionnels orientés à 90° agissent comme une charge, tandis que les tapis de Fique non tissés et unidirectionnels orientés à 0° renforcent la matrice EP.

Des études antérieures réalisées sur des biocomposites PP-Kenaf18 et HDPE-henequen19 ont suggéré que les biocomposites avec des fibres orientées parallèlement à la charge appliquée (0°) étaient capables de contribuer à la même charge appliquée et possédaient une structure de fibres beaucoup plus longue en raison d'une rupture minimale des fibres. Ainsi, aide au renforcement de la structure biocomposite grâce à une répartition homogène de la charge. D'autre part, les biocomposites orientés à 90° supportent moins de charges de traction et entraînent une rupture plus élevée des fibres18,19. Par conséquent, les performances mécaniques des biocomposites EP-fiques dépendent fortement de la structure et de l'angle d'orientation des fibres.

La figure 6 montre que la défaillance du matériau biocomposite EP-UF à 90° se produit et se propage le long des fibres fiques à des angles d'orientation de 90°. Cela explique également pourquoi le biocomposite EP-UF aligné à 0° a pu maintenir une bonne résistance à la traction par rapport aux échantillons EP-FP et EP-UF 90°. De plus, les fibres naturelles avec une teneur en cellulose plus élevée et un rapport d'aspect (L/D) plus élevé peuvent contribuer à une efficacité de renforcement plus élevée, car le contact entre les éléments de renforcement et la matrice se produit sur une plus grande surface.

Modes de rupture observés dans les composites EP-FP, EP-UF 0°, EP-UF 90° après essai de traction.

Dans le même temps, l'incorporation de fique diminue la déformation à la rupture (εb) de la matrice EP et pourrait être liée à la faible liaison interfaciale entre fique et EP ainsi qu'à l'effet de raidissement des discontinuités d'interface qui affectent la capacité de déformation des biocomposites (voir la section "Morphologie"). Pour les échantillons EP-FP, la zone interfaciale entre la matrice et les particules de fique augmente en raison de la surface superficielle plus élevée, par conséquent les valeurs de εb diminuent de 90 à 2,8%. En ce qui concerne les biocomposites à tapis EP-fique, εb diminue entre 97 et 80 % pour EP-UF 90° et EP-UF 0° respectivement par rapport à la matrice EP (p < 0,05). Ce résultat pourrait être lié à un transfert de contraintes plus important entre les fibres EP et fiques et à un glissement des fibres dans la matrice pour l'orientation EP-UF 0°. Les résultats des tests de flexion montrent que les valeurs de module de flexion (FM) augmentent d'environ 340 et 1100 % pour les biocomposites. EP-90° et EP-UF 0° respectivement, par rapport à EP pur La résistance à la flexion (FS) augmente d'environ 430 et 820 % pour EP-90° et EP-UF 0° respectivement par rapport à EP pur.

De manière générale, l'ajout de fibres fiques améliore les propriétés mécaniques de la matrice époxy et génère un effet de rigidification et de renforcement qui pourrait s'avérer pertinent pour des applications de produits telles que des pièces automobiles où la rigidité et la résistance sont des facteurs essentiels. Les résultats ont montré que les fibres longues fiques orientées à 0° généraient les meilleures propriétés mécaniques parmi les échantillons analysés, par conséquent la discussion sur l'orientation des fibres fiques est également cruciale car elle a des effets sur les performances et la qualité des biocomposites.

La figure 6 montre les spécimens et les mécanismes de rupture des biocomposites EP-FP et EP-UF après les tests de tension. Pour les biocomposites EP-FP et EP-UF 90°, il est à noter que la fracture est générée par la rupture simultanée de la matrice et des particules dispersées fiques ou fibres longues orientées à 90° au sein de la matrice. Dans le cas d'échantillons EP-UF 0°, la défaillance de la matrice se produit en premier, suivie par les fibres fiques alignées.

Cette différence dans les mécanismes de rupture entre les composites formulés avec des particules et des fibres orientées a déjà été observée par d'autres chercheurs9,20. Ces études ont conclu que le plan de fracture est obtenu pour la zone de résistance minimale de l'interface entre la matrice et les fibres ou dans la zone de manque de fibres ou d'adhérence avec la matrice.

Les résultats des tests de traction montrent que les fibres de fique unidirectionnelles orientées à 0° agissent comme un renforcement de la matrice EP, augmentant la résistance à la traction de près de 300 % par rapport à la poudre de fique et aux fibres de fique orientées à 90°, qui n'ont pas généré de différences significatives dans la résistance à la traction. La contrainte générée lors de l'essai de traction provoque des contraintes de cisaillement (τ) entre la fibre et la matrice qui génèrent un décollement de l'interface. Au bord de l'interface, le transfert de contraintes de la matrice vers les fibres dépend de τ à l'interface axiale. Pour les biocomposites EP-FP et EP-UF 90°, l'interface entre les particules, les fibres orientées et la matrice est facile à délier lors de l'essai, mais dans le cas des biocomposites EP-UF 0°, la contrainte (τ) générée au bord de l'interface est plus élevée en raison de la plus grande adhérence des fibres EP et fiques, ainsi que d'une plus grande surface de contact entre les éléments de renforcement et la matrice. Ainsi, expliquant les mécanismes de rupture observés et le renforcement observé dans les biocomposites avec des fibres fiques unidirectionnelles.

Les courbes de refroidissement montrent l'absence d'exothermes de cristallisation, ce qui indique que l'EP et les biocomposites EP-fiques ne présentent pas de cristallisation lors du refroidissement (Fig. 7a.) Le deuxième cycle de chauffage (Fig. 7b) montre la température de transition vitreuse (Tg) de l'EP à 22 ° C. L'ajout de poudre de fique et de fibres de fique augmente cette température à 29 et 57 °C respectivement. Cette augmentation des valeurs de Tg indique que la présence de fique affecte la mobilité des chaînes EP. Cependant, cet effet est plus important pour les biocomposites EP-UF. Cela peut être lié à un effet de renforcement plus important des fibres de fique par rapport à la poudre de fique, ce qui limite le mouvement des chaînes de macromolécules EP. Des résultats similaires ont été récemment rapportés par Hidalgo et Correa pour les biocomposites de tapis EP-NWF3.

(a) Refroidissement et (b) Second chauffage pour EP pur et leurs biocomposites fiques.

Des courbes de thermogravimétrie (TG) et de thermogravimétrie dérivée sur la température (DTG) ont été utilisées pour déterminer la stabilité thermique de la poudre de fique, des fibres de fique, de l'EP et de leurs biocomposites de fique. Les résultats sont présentés dans les Fig. 8 et 9. Les résultats thermiques de ces tests sont également résumés dans le tableau 2.

(a) TGA et (b) DTG de fibres de fique et de poudre de fique.

TGA de résine époxy pure et biocomposites EP-fique.

Pour les fibres fiques et la poudre, trois principaux secteurs de perte de masse ont été observés. La première zone située entre 60 et 100°C est liée à l'évaporation de l'humidité présente à la surface de l'échantillon. Les deux autres se situent entre 250–350 °C et 350–600 °C et sont respectivement liés à la dégradation de l'hémicellulose et de la cellulose. Les températures de début de dégradation (To) de ces régions sont plus élevées pour les fibres de fique que pour la poudre de fique. Ceci est lié au fait que la poudre de fique provient de la zone externe des fibres de fique et est produite à l'échelle industrielle lors du processus de démêlage des fibres. Cette poudre fique peut contenir des cires et un contenu cellulaire, ce qui pourrait réduire sa stabilité thermique. Les courbes DTG montrent un premier pic lié à la température maximale de vitesse de perte de poids (Tmax) de l'hémicellulose située à 256 °C pour la poudre de fique et 298 °C pour les fibres de fique. Le deuxième pic est lié au Tmax de la cellulose qui est plus élevé pour les fibres fiques.

La hauteur des pics observés dans les courbes DTG est également liée aux concentrations de plusieurs matériaux, comme les mélanges polymériques21 et les résidus lignocellulosiques22. D'après les courbes DTG, on observe que la hauteur du pic lié à la décomposition de la cellulose est plus élevée pour les fibres de fique par rapport à la poudre de fique, ce qui pourrait être lié à une teneur en cellulose plus élevée dans les fibres de fique.

La figure 9a montre que la décomposition des EP et leurs biocomposites fiques se produisent dans un processus en deux étapes, indiquant ainsi que ces matériaux ont un comportement de dégradation thermique similaire. La première étape de dégradation se produit entre 90 et 200 °C, attribuée à la décomposition de petites molécules du PE. La deuxième étape de dégradation, observée dans la plage de 250 à 500°C, montre la décomposition de la chaîne polymérique principale3,23. Pour les deux étapes de dégradation, les valeurs To des biocomposites fiques étaient supérieures aux valeurs To des EP purs. Le résultat a déjà été observé et rapporté pour les biocomposites de tapis EP-NWF3.

Les valeurs Tmax des biocomposites fiques étaient plus élevées que celles observées pour l'EP pur (Fig. 8b). Ils montrent que la poudre de fique et les fibres de fique améliorent la stabilité thermique du PE. Ces résultats ont été rapportés pour plusieurs matériaux biocomposites à base de matrices thermoplastiques 5,24,25 et thermodurcissables 3,11 et peuvent être considérés comme un avantage dans les performances et la température de service de ces matériaux.

Des micrographies SEM des biocomposites EP-fiques sont présentées à la Fig. 10. Dans ces images, on peut observer que le type de fique utilisé (poudre ou fibre) et la disposition du tapis de fique génèrent des changements dans la morphologie des biocomposites.

Micrographies SEM de la section transversale des biocomposites EP-fiques.

Pour les biocomposites EP-FP, des particules de poudre de fique semi-circulaires et allongées ont été observées dans la matrice EP avec des diamètres d'environ 100 µm. Le mat fique utilisé et l'orientation des fibres, génèrent des changements de direction et de dispersion des fibres au sein de la matrice. Pour les biocomposites EP-UF 0° et EP-UF 90°, les fibres sont alignées perpendiculairement et parallèlement au plan de fracture respectivement, tandis que dans les composites EP-NWF, les fibres sont dans un arrangement aléatoire bidimensionnel. De plus, les espaces interfaciaux observés (cercles jaunes sur la Fig. 10) indiquent une faible liaison interfaciale entre la fique et la matrice Epoxy et pourraient être liés à la diminution observée de la déformation à la rupture (section "Propriétés mécaniques").

Le processus de conception des pièces automobiles a été réalisé à l'aide du module de surfaces SolidWorks Il permet la génération d'esquisses des lignes principales et des revêtements avec des surfaces de géométries complexes qu'il serait impossible de générer autrement. L'un des avantages du module de surface est qu'un processus de modélisation 3D peut être effectué, dans lequel les principales perspectives d'un objet sont utilisées. À leur tour, chacun est disposé dans son plan correspondant, pour générer un système linéaire dans l'espace, dont les coordonnées sont affectées par chaque plan correspondant. Ce faisant, les vues de côté, de dessus et de face pourraient être esquissées séparément et cousues pour générer des esquisses complexes. Pour cette étude, une voiture complète à l'échelle a été conçue et deux parties (porte et capot) ont été fabriquées à l'aide de biocomposites EP-UF 0° (Fig. 11). Cette sélection était due au module et à la résistance plus élevés obtenus lors des essais de traction et de flexion. Les fibres fiques orientées parallèlement à la charge appliquée lors des essais mécaniques et l'effet raidisseur des fibres ont permis d'obtenir un matériau biocomposite rigide avec une résistance à la traction et à la flexion (36,6 et 21,2 MPa, respectivement) comparable aux autres produits commerciaux automobiles rapportés dans la littérature18. De plus, le traitement par infusion du film de résine pourrait générer une pression considérable à l'intérieur du moule, ce qui permet alors un compactage homogène des fibres de fique et de l'EP pendant le durcissement. De cette manière, il est possible d'obtenir des pièces automobiles à l'échelle avec des épaisseurs uniformes et avec une bonne homogénéité, qui peuvent être mises à l'échelle pour la production de pièces automobiles.

Pièces automobiles (porte et capot) produites à partir de biocomposites EP-UF 0° (échelle 1:5).

Cette étude visait à rechercher l'utilisation de fibres naturelles de fique et de ses sous-produits de traitement pour la production de biocomposites à base de résine époxy, en utilisant l'infusion de film de résine, et les effets de la forme et de l'orientation des fibres naturelles sur les propriétés mécaniques et thermiques de ces matériaux. Au vu des résultats présentés dans cet article, la conclusion suivante peut être tirée :

La caractérisation mécanique a indiqué que les fibres fiques alignées à un angle d'orientation de 0 ° augmentent le module de traction et de flexion jusqu'à 5700% et 1100% respectivement par rapport à l'EP pur. De plus, la poudre de fique (un sous-produit du traitement des fibres de fique) et les fibres de fique orientées à 90° agissent comme des charges pour la matrice époxy tandis que les fibres de fique orientées à 0° renforcent la matrice EP augmentant la résistance à la traction jusqu'à 277 % et la résistance à la flexion jusqu'à 820 %. Ce comportement est lié à une répartition homogène de la charge due à l'orientation des fibres et à un rapport d'aspect (L/D) plus élevé qui peut contribuer à une efficacité de renforcement plus élevée pour les biocomposites EP-UF 0°. Ainsi, les performances mécaniques des biocomposites EP-fiques dépendent fortement de la structure et de l'angle d'orientation des fibres.

La caractérisation thermique montre que la poudre de fique et les fibres de fique limitent le mouvement des chaînes de macromolécules EP et améliorent la stabilité thermique de l'EP. Ces résultats peuvent être considérés comme un avantage pour les performances et la température de service des biocomposites à base de fique. La caractérisation mécanique en traction et en flexion a montré que l'incorporation de poudre de fique et de fibres induisait un effet de rigidification de la matrice EP.

Les images SEM ont montré que la forme de fique utilisée (poudre ou fibre) et l'orientation des fibres (0° ou 90°) ont généré des changements de morphologie des biocomposites et des espaces interfaciaux, qui indiquent une faible liaison interfaciale entre la fique et la matrice époxy. Ainsi, ils pourraient générer une diminution de la déformation à la rupture, comme observé dans cet article.

La méthode du procédé d'infusion de film de résine permet la production de plaques biocomposites et de prototypes de pièces automobiles avec des épaisseurs uniformes et une bonne homogénéité. Ces pièces pourraient être fabriquées pour la production de pièces à grande échelle. Ces résultats montrent clairement la possibilité de considérer les biocomposites EP-fiques comme des matériaux alternatifs pour des applications dans le secteur automobile en tant que produits à base de fibres naturelles, et pourraient accroître l'intérêt pour la recherche et le développement de produits à partir de poudres de fique et d'autres sous-produits de transformation de fibres naturelles réduisant leur accumulation dans le sol et les décharges, les préoccupations environnementales et générer un impact positif sur les économies régionales, le développement technologique et élargir la gamme d'applications de fique.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'informations complémentaires.

Echeverry, R., Franco, LM & Gonzalez, M. FIQUE EN COLOMBIE (ITM, Fondo Editorial Metropolitano, Instituto Tecnológico, 2015).

Ministère colombien de l'agriculture et du développement rural. Chaîne agro-industrielle de Fique. https://sioc.minagricultura.gov.co/Fique/Documentos/2021-03-31 Cifras Sectoriales.pdf (2020).

Hidalgo-Salazar, MA & Correa, JP Propriétés mécaniques et thermiques des biocomposites à partir de nattes de fibres de fique industrielles non tissées avec de la résine époxy et du polyéthylène linéaire basse densité. Résultats Phys. 8, 461–467 (2018).

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Nous présentons nos remerciements à l'Universidad Autónoma de Occidente (Cali-Colombia), pour le soutien technique et financier ; au Centre d'excellence en nouveaux matériaux de l'Universidad del Valle (Cali-Colombie) pour les mesures SEM. Les auteurs tiennent à remercier "Compañia de Empaques de Medellin" (Medellin-Colombie) pour la fourniture des tapis de Fique industriels non tissés et "Empaques del Cauca" (Popayan-Colombie) pour la fourniture de fibres et de poudres de fique brutes.

Groupe de recherche sur les technologies de fabrication GITEM, Université autonome de l'Ouest, Cali, Colombie

Nicolas Centeno-Mesa, Oscar Lombana-Toro, Juan P. Correa-Aguirre & Miguel A. Hidalgo-Salazar

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NCM : curation des données, analyse formelle, enquête, rédaction - ébauche originale. OLT : curation des données, analyse formelle, enquête, rédaction : version originale. JPC : conservation des données, analyse formelle, enquête, rédaction—révision et édition. MHS : Conceptualisation, Analyse formelle, Acquisition de financement, Méthodologie, Enquête, Supervision, Rédaction—Révision & Édition. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Juan P. Correa-Aguirre.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Centeno-Mesa, N., Lombana-Toro, O., Correa-Aguirre, JP et al. Effet des fibres de fique et de ses sous-produits de traitement sur la morphologie, les propriétés thermiques et mécaniques des biocomposites à base d'époxy. Sci Rep 12, 15143 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18934-x

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Reçu : 24 janvier 2022

Accepté : 22 août 2022

Publié: 07 septembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-18934-x

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