Technical composites with continuous bamboo reinforcements and biobased thermoset matrix : design and mechanical behavior

Les composites à matrice organique ont permis l'allègement des structures dans le domaine des transports terrestre, maritime et surtout aérien. L'objectif de ces travaux de thèse, a été de développer une alternative aux composites pétrosourcés actuels avec un composite technique biosourcé. Le renfort choisi est à base de bambou et la matrice biosourcée à base de cardanol. Comme toutes les fibres végétales, les fibres de bambou ont une stabilité thermique qui n'excède pas 200 °C ce qui implique des conditions de mise en œuvre adaptées. Leurs propriétés mécaniques spécifiques les positionnent comme une alternative potentielle aux fibres synthétiques. Les études ont porté sur une espèce de bambou qui se développe en climat tempéré (Phyllostachys viridiglaucescens) pour bénéficier d'un approvisionnement local. Deux morphologies de renforts ont été utilisées : des rubans extraits mécaniquement et des fibres extraites suivant un procédé développé dans l'équipe. L'efficacité de l'extraction a été démontrée par l'obtention de fibres techniques de diamètre moyen de 397 µm. Une attention particulière a été apportée au contrôle des propriétés des renforts extraits, les rubans et les fibres issus de la paroi externe de la plante possèdent un module élastique moyen de respectivement 10 GPa et 26 GPa. Pour répondre au cahier des charges d'un composite technique biosourcé, une matrice époxy issue du cardanol a été étudiée. Les conditions de mise-en-œuvre d'échantillons à l'échelle laboratoire ont été établies en tenant compte des contraintes thermiques inhérentes aux renforts naturels. La présence des renforts a permis d'améliorer les propriétés mécaniques dynamiques en cisaillement de la matrice biosourcée. Tant pour les composites fibres que pour les composites rubans, le module vitreux de cisaillement est multiplié par 1.5 à température ambiante. En élongation, les renforts conduisent à des modules vitreux de l'ordre de 8 GPa pour les composites rubans et de 10 GPa pour les composites fibres. Par rapport à la matrice, dans le sens longitudinal, le module vitreux est multiplié par 5. Ces valeurs prouvent la pertinence de l'utilisation de renforts végétaux pour la réalisation de composites techniques renouvelables. Cette recherche est insérée dans le programme "BAmboo continuous fibre reinforced biobased Matrices COmposites / BAMCO" supporté par la BPI et le Conseil Régional d'Occitanie dans le cadre du FUI 24.Organic matrix composites allow the lightening of structures in the field of land, sea and air transport. The aim of this work was to develop an alternative to current petroleum-based composites using bio-based composites. The chosen reinforcement is bamboo and the matrix is cardanol based. As all plant fibres, bamboo fibres have a thermal stability that is limited to 200°C, which means that processing conditions have to be adapted. Their specific mechanical properties make them a potential alternative to synthetic fibres. This study was focused on a bamboo species growing in temperate climates (Phyllostachys viridiglaucescens) to benefit from a local supply. Two reinforcement morphologies were used: mechanically cut strips and fibres extracted using a process developed in the laboratory. The efficiency of the extraction was demonstrated by obtaining technical fibres with an average diameter of 397 µm. A special attention was paid to the control of the properties of the extracted reinforcements; strips and fibres from the outer part of the plant wall have, respectively, an average elastic modulus of 10 and 26 GPa. To meet the specifications of a biobased technical composite, an epoxy matrix based on cardanol was investigated. The processing conditions of laboratory-scale samples were determined taking into account the thermal requirements imposed by natural reinforcements. The presence of the reinforcements improved the dynamic mechanical shear properties of the bio-based matrix. For both, fibres and strips composites, the shear modulus is increased by a factor of 1.5 at room temperature. In the elongation mode, the reinforcements lead to a glassy modulus on the order of 8 GPa for the bamboo strips composites and 10 GPa for the bamboo fibres composites. Compared to the matrix, the glassy modulus is increased by a factor of 5 in the longitudinal direction. These values demonstrate the relevance of the use of plant-based reinforcements for the design of renewable technical composites. This research was performed in the framework of the "BAmboo continuous fiber reinforced biobased Matrices COmposites / BAMCO" program supported by FUI 24 with the BPI and the Conseil Régional d'Occitanie