From plant to hemp biocomposites : Characterization of multiple interfaces and study of relevant parameters.

Les préoccupations environnementales de l'industrie et les stratégies visant à développer un système économique plus durable suscitent un intérêt croissant pour la recherche dans le domaine des biocomposites. Le fort caractère polaire et hydrophile des fibres végétales entraîne, lors de leur utilisation comme renfort, une complexité de mise en œuvre et des limites en termes de transfert de charge à l’interface fibre/matrice. Ces verrous pour le développement des biocomposites sont les lignes directrices de ce travail de thèse s'inspirant de la présence des interfaces au sein des tiges de chanvre. L’évolution progressive de la microstructure et des propriétés mécaniques est cruciale pour l'intégrité et le fonctionnement de la tige à travers des régions de transition. Ces interfaces, potentiels maillons faibles de la structure, sont étudiées en appliquant un processus de rouissage impactant la microstructure interne et la cohésion tissulaire. Des tiges aux fibres élémentaires, l'étude du comportement mécanique des systèmes naturels est une source d’inspiration pour un transfert des principes fondamentaux des biocomposites. Visant à accroître la compréhension de l'effet de l'humidité présente dans l’environnement lors des utilisations composites, l’analyse des propriétés hygro-mécanique permet de mettre en évidence des performances optimales de composites unidirectionnels de part un effet bénéfique de la sorption d’eau. Des études à l'échelle microscopique ont permis d’attribuer une contribution importante du comportement hygroscopique aux performances de l'interface fibre/matrice par la création de contraintes résiduelles et de mécanismes d'adhésion capillaire. Généralement décrite comme un inconvénient, ce travail de recherche montre que la sensibilité à l'eau des fibres végétales ainsi que la sorption de vapeur d’eau dans un biocomposite pourraient favoriser le transfert de charge et être bénéfiques pour leurs performances mécaniques.Industry environmental concerns and strategies to become part of a more sustainable economic system, leads to a growing interest in research on biocomposite. The strong polar and hydrophilic nature of plant fibers leads, when used as a reinforcement, to a complexity of biocomposite manufacturing and limits in terms of load transfer at the fiber/matrix interface. These major locks (fiber polarity and moisture sensitivity) for biocomposites development are the guidelines of this thesis work taking its inspiration in the design of hemp stem tissue interfaces. The multi-scale evolution of gradient microstructure and internal mechanics is crucial for the integrity and functioning of the stem through smooth transitions regions. These potential weak interfaces are investigated by applying a retting process that affect the stem internal microstructure and tissue cohesion. From the stems of agricultural crops to the hierarchical elementary fibers, studying the mechanical behavior of natural systems may serve as inspiration for a biomimetic transfer of the fundamental principles to fiber-reinforced composites. Aimed at increasing the understanding of the effect of moisture present during composite use, hygro-mechanical coupling highlights an optimum in hemp fibre-based unidirectional composites performances from a beneficial effect of moisture sorption. Deeper analysis at the micro-scale attributed a significant contribution of this hygroscopic behavior to fiber/matrix interface performances through the creation of residual stresses and capillary adhesion mechanisms. Generally described in the literature as a drawback, this research demonstrates that water sensitivity of plant fibers and moisture sorption in biocomposite could promote load transfer and be beneficial for their performance