L'intégration des fibres naturelles cellulosiques de plantes annuelles ou de résidus agricoles ou agro-industriels dans l'élaboration de matériaux de structures composites et le développement de nouveaux liants biosourcés sont aujourd'hui un domaine de recherche d'intérêt croissant. La thèse s'est déroulée dans le cadre du programme « Eco-panneaux », dont les deux objectifs principaux furent tout d'abord de valoriser les fibres végétales d'origine tunisienne comme l'alfa, le jonc et les folioles de palme et ensuite d'évaluer le potentiel d'espèces végétales tunisiennes dont les écorces sont riches en tannins (fruit de grenade, racines du sumac et tronc de pin d'Alep). Les études de caractérisation des fibres ont montré que leurs masses volumiques sont inférieures à 1. Le calcul du point de saturation des fibres (FSP) montre des valeurs majoritairement comprises entre 60 et 100 %. Nous avons également pu caractériser la cinétique d'imprégnation d'eau pour chacune des fibres. L'imprégnation se stabilise après 24 h d'immersion. Riches en minéraux (concentrations supérieures à 1 %), les fibres ont montré des teneurs en cellulose, en lignines et en hémicellulose comparables à celles généralement rencontrées avec les fibres de bois. L'analyse thermogravimétrique (ATG) a permis de constater que les matrices végétales étudiées sont thermiquement stables pour des températures inférieures à 200°C. Le dosage colorimétrique pour étudier la composition en polyphénols des matrices tannifères, l'analyse infrarouge et l'étude structurale de l'extrait des tanins, ainsi que le calcul du « Stiasny number » , montrent la forte teneur de l'écorce de grenade en tanins hydrolysables et la richesse des écorces du tronc de pin d'Alep et des racines du sumac en tanins condensés. L'étude des propriétés thermiques des extraits de tanins par ATG montre que les tanins de pin d'Alep et du sumac sont thermiquement plus stables que ceux de la grenade. La colle formulée à partir d'hexamine et de tanins de pin d'Alep présente un module d'élasticité élevé. Alors que la colle à base de tanins de grenade forme le réseau le moins dense. Ces résultats ont été confirmés par l'étude de la résistance au cisaillement. L'étude réalisée sur les composites fibres-plâtre (mise en œuvre et caractérisation physico mécanique des composites) a montré que les fibres locales pourraient constituer une alternative aux fibres d'importation utilisées actuellement. Une première caractérisation de la conductivité thermique des panneaux isolants élaborés à partir des fibres locales et de colles de tanins montre une conductivité thermique moyenne de 0,106w/K.m.

Les tannins sont des produits issus de la chimie végétale qui possèdent une bonne réactivité et qui peuvent remplacer des produits similaires dérivés du pétrole. C'est le cas des tannins condensés qui présentent des caractéristiques de réactivité proches de celles du phénol. Utilisées depuis plusieurs années dans des colles pour les produits à base de bois, les résines de tannin n'ont pas fait l'objet de recherches approfondies pour la fabrication de matériaux composites. Le travail présenté ici est axé sur trois projets visant à développer des matériaux composites de hautes performances en utilisant à la fois des résines à base de tannins condensés et des renforts de fibres végétales. 1. Le premier projet a pour but de développer un composite thermodurcissable à base de la résine tannin/hexamine déjà employée comme colle pour panneaux de particules. Une étude avait démontré la faisabilité du principe mais de nombreux problèmes pratiques restaient à résoudre pour obtenir un processus de fabrication fiable et compétitif. 2. Le but du deuxième projet est l'étude et le développement de composites dont la matrice est constituée d'un copolymère de tannins et d'alcool furfurylique. Les propriétés des résines furaniques et la possibilité de les faire réagir avec des composés phénoliques en font des candidates potentielles à la fabrication de composites de haute performances. 3. Le dernier projet vise à produire des tannins acétylés en suivant les méthodes utilisées pour la lignine, à vérifier s'ils présentent le même caractère thermoplastique et le cas échéant à les tester pour la fabrication de matériaux composites.

Cette étude constitue une contribution à la recherche de nouveau matériau composite originaire des ressources naturelles végétales. Elle vise alors à l'exploitation des fibres naturelles extraites de la plante d'Alfa avec une matrice biopolymère thermoplastique de type Mater-Bi® afin d'élaborer des biocomposites. Trois types de fibres courtes extraites de la plante d'Alfa sont préparés ; non traitées et traitées par un traitement alcalin à 1 et 5%. Les diverses techniques utilisées pour la caractérisation des fibres ont révélé une augmentation de la rugosité, du taux de cellulose, de l'indice de cristallinité ainsi de la stabilité thermique après le traitement alcalin. Les matériaux composites sont préparés par extrusion bivis suivi d'une opération d'injection en faisant varier le pourcentage des fibres de 0 à 25%. Les analyses thermiques des biocomposites ont montré un accroissement significatif de la vitesse de cristallisation suite à l'incorporation des fibres d'Alfa ainsi une amélioration de la stabilité thermique pour les matériaux à base de fibres traitées. La résistance à la traction et le module de Young des biocomposites ont augmenté alors que la ténacité et l'allongement à la rupture ont diminué avec l'augmentation du taux de fibres. Les micrographies MEB des surfaces fracturées indiquent une bonne adhésion entre la matrice et les fibres d'Alfa traitées ou non. L'étude de la cinétique de cristallisation des différents biocomposites a prouvé le fort effet nucléant des fibres d'Alfa traitées ou non.

Pour des raisons liées au confort, les constructions modernes exigent des matériaux isolants acoustiques et thermiques, offrant de bonnes performances mécaniques. Dans ce cadre, la valorisation des fibres végétales issues de l'industrie agro-alimentaire, présente des avantages économiques et environnementaux. C'est ainsi que, la présente étude a pour objectif le développement d'un agro-composite multifonctionnel à base de fibres de canne à sucre, alliant de bonnes propriétés acoustiques et mécaniques.Les renforts étudiés présentent des distributions morphologiques (longueur et diamètre) pouvant être approchées par une loi log-normale. De plus, leur comportement hygroscopique révèle une forte capacité de reprise en eau (23%) en fonction de l'humidité relative et de la température, même si la masse volumique reste constante, malgré l'hétérogénéité des fibres.Les composites thermo-comprimés avec une matrice époxy, ont été caractérisés à l'aide d'un plan d'expériences ayant pour paramètres le diamètre des fibres (entre 0,5 et 4 mm) et leur taux massique (entre 40 et 70%). L'analyse de la microstructure révèle une isotropie dans le plan de fabrication et une anisotropie transverse. L'étude des propriétés acoustiques a montré que l'absorption sonore augmente avec le diamètre des fibres, tout en diminuant avec leur proportion massique, sur une gamme de fréquences comprises entre 500 et 1000 Hz. La caractérisation mécanique par des essais de flexion, a montré un comportement fragile, avec des écarts de raideur et d'effort maximal de l'ordre de 30%. En flexion, les matériaux dont le diamètre et le taux massique de fibres sont élevés ont les propriétés mécaniques optimales. De plus, l'analyse par stéréo-corrélation d'images a révélé un gradient de déformations non linéaire dans l'épaisseur de l'éprouvette, dû à l'hétérogénéité du matériau. Cette analyse a permis de montrer qu'une localisation des déformations normales conduit à la rupture de l'éprouvette. Par ailleurs, les essais de compression ont souligné l'anisotropie des matériaux et ont montré que les propriétés optimales sont obtenues pour des matériaux dont le taux massique de fibres se situe autour de 55% avec les fibres les plus fines. Enfin, un outil a été mis en place afin de trouver un compromis entre les propriétés mécaniques et acoustiques.

Les matériaux composites constituent aujourd'hui un domaine très dynamique tant au niveau de l'industrie que de la recherche. Dans ce cadre, les renforts d'origines naturelles représentent une alternative intéressante aux fibres synthétiques de par leurs propriétés mécaniques élevées, leur faible densité et leur caractère biosourcé, afin de répondre à l'accroissement des niveaux de performances ciblés ainsi qu'aux exigences économiques et écologiques actuelles.Ces travaux s'inscrivent dans un projet regroupant laboratoires de recherche, fournisseurs et end-users, visant à développer un matériau composite unidirectionnel structural à base de fibre de lin pour une application sport et loisirs. Ainsi, les objectifs initiaux incluent le développement de différents traitements chimiques des fibres, afin de les laver, d'homogénéiser leurs propriétés mécaniques et d'améliorer l'adhésion fibre-matrice. Une stratégie originale a pour cela été élaborée, basée sur la réactivité et les propriétés physico-chimiques d'un agent de couplage biosourcé. Ce produit a montré un potentiel prometteur d'additif de renforcement des matériaux cellulosiques, notamment à l'état humide. De plus, sa réactivité avec des molécules compatibilisantes a permis de le fonctionnaliser pour promouvoir l'adhésion fibre-matrice.Les caractérisations menées aux différentes échelles de la fibre de lin ont ensuite montré la pertinence de ces traitements, qui renforcent les interfaces fibre-matrice et les fibres techniques à l'état humide. Les études mécaniques ont cependant soulevé de nombreuses problématiques expérimentales, et ont démontré que les spécificités morphologiques de ces objets et leur caractère naturel ne permettaient pas l'exploitation directe des mesures dans le cadre d'un tel projet de développement. Les axes de recherche se sont alors avant tout focalisés sur l'étude des matériaux composites. Ainsi, plusieurs verrous structuraux ont pu être identifiés. La qualité de l'imprégnation de ces renforts naturels, qui peut être influencée par la formulation des traitements et la mise en œuvre, est déterminante dans le développement du matériau à cause de la morphologie multi-échelles des fibres. L'orientation des fibres au sein des plis unidirectionnels s'est également avéré être un paramètre prépondérant, étroitement lié à l'architecture des renforts et aux procédés de traitements industriels.Les développements menés à la fois sur les traitements et sur la structure des composites ont ainsi permis de doubler les propriétés mécaniques des systèmes initiaux pour atteindre un module de rigidité de 30 GPa et une contrainte ultime d'environ 370 MPa en traction tout en limitant grandement la perte de résistance après vieillissement dans l'eau et en garantissant une déformation en flexion répondant au cahier des charges. Les évolutions réalisées ne permettent pas pour le moment d'envisager l'industrialisation de ce matériau, mais vont permettre le prototypage de produits finis.

Dans l'optique de répondre à la demande du marché des matériaux biosourcés en France pour le secteur du bâtiment, les travaux présentés dans cette thèse avaient pour objectif de formuler un nouveau matériau biosourcé en exploitant des nouvelles ressources végétales, telle que la plante de Diss. Ce matériau sera destiné pour la production des panneaux de bardage pour la réhabilitation énergétique des bâtiments. Dans un premier lieu, une étude sur l'extraction, le traitement et la caractérisation des fibres de Diss a été menée. Elle a été suivie dans un deuxième temps par une application de ces fibres comme renfort à une matrice thermoplastique, le polypropylène. La caractérisation mécanique et hydrothermique, l'étude de durabilité et l'évaluation environnementale de la phase de production de ces biocomposites ont été abordées. Les résultats montrés sont prometteurs, notamment pour une telle application où les fibres de Diss ont présenté des propriétés mécaniques et hydro/hygrothermiques intéressantes. De plus, l'incorporation de ces fibres a amené à une amélioration des propriétés mécaniques de la matrice. D'autre part, l'étude de durabilité a mis en évidence l'effet du vieillissement hydrothermique sur leurs propriétés mécaniques. Il a été conclu également que l'utilisation des fibres de Diss avait un effet nettement positif sur la réduction des impacts relatifs au réchauffement climatique, grâce à la séquestration biogénique du CO2. Ces résultats aident à mieux anticiper une future industrialisation de ces fibres et mettre en amont leur effet bénéfique sur l'environnement.

Proposer des solutions permettant de concevoir et de fabriquer des pièces automobiles performantes mais également respectueuses de l'environnement est devenu un enjeu majeur pour les équipementiers automobiles. Ces travaux de thèse s'inscrivent donc dans ce contexte de compréhension et d'amélioration des matériaux composites non-tissés aiguilletées renforcés par des fibres végétales. À partir d'un même matériau de base, il est possible d'obtenir des structures et des propriétés différentes grâce au contrôle du taux de porosités dans le matériau. On peut ainsi conférer au composite de bonne propriétés d'absorption acoustique à des taux de porosités élevés (50%) ou au contrainte privilégier la tenue mécanique du produit en les limitant. La structure du matériau et la liaison fibre/matrice vont évoluer avec la fraction de porosités et en résulteront des comportements mécaniques bien différents. Suivant le taux de porosité, les performances mécaniques seront donc principalement gouvernées par des paramètres différents tels que la liaison interfaciale ou le renfort. Dans un environnement automobile, les conditions climatiques (humidité et température) jouent un rôle prépondérant dans les performances des biocomposites non-tissés. En effet, l'adhérence fibre/matrice est essentiellement liée aux contraintes radiales compressives, qui sont largement influencées par l'état hygrométrique du renfort. Enfin, la valorisation les chutes de fabrication issues de la thermocompression pour modifier la structure du composite non-tissé a permis de développer un produit présentant un gain en rigidité significatif.