Les constructeurs automobiles utilisent des fibres naturelles depuis des décennies dans les berlines et les coupés haut de gamme. Fibres naturelles telles que le chanvre, le lin et le bois sont utilisés dans les panneaux de porte intérieurs; ainsi que le moteur, isolation intérieure et phonique. Mais de tels matériaux composites polymères à fibres naturelles peuvent se fissurer, casser et plier. Des chercheurs de l'Université de Johannesburg ont montré que les pseudo-tiges de plantain sont une source renouvelable prometteuse pour un type émergent de matériaux nanocomposites plus légers pour l'industrie automobile. La réduction de la masse d'un véhicule peut améliorer l'efficacité énergétique. Crédit :Dr Patrick Ehi Imoisili, Thérèse van Wyk, Université de Johannesbourg.
Une automobile de luxe n'est pas vraiment un endroit pour chercher quelque chose comme le sisal, chanvre, ou du bois. Pourtant, les constructeurs automobiles utilisent des fibres naturelles depuis des décennies. Certaines berlines et coupés haut de gamme les utilisent dans des matériaux composites pour les panneaux de portes intérieurs, pour moteur, isolation intérieure et phonique, et capots moteur internes, entre autres utilisations.
Contrairement à l'acier ou à l'aluminium, les composites de fibres naturelles ne rouillent pas et ne se corrodent pas. Ils peuvent également être durables et facilement moulés. Les plus grands avantages des composites polymères renforcés de fibres pour les voitures sont leur légèreté, bonnes propriétés de crash, et des caractéristiques de réduction du bruit et des vibrations. Mais fabriquer plus de pièces d'un véhicule à partir de sources renouvelables est un défi. Les composites polymères de fibres naturelles peuvent se fissurer, casser et plier. Les raisons comprennent une faible résistance à la traction, résistance à la flexion et aux chocs dans le matériau composite.
Des chercheurs de l'Université de Johannesburg ont maintenant démontré que le plantain, une banane féculente, est une source prometteuse pour un type émergent de matériau composite pour l'industrie automobile. Les fibres naturelles de plantain sont combinées avec des nanotubes de carbone et de la résine époxy pour former un matériau nanocomposite hybride polymère renforcé de fibres naturelles. Le plantain est une culture vivrière de base toute l'année dans les régions tropicales d'Afrique, Asie et Amérique du Sud. De nombreux types de banane plantain sont consommés cuits.
Les chercheurs ont moulé un matériau composite à partir de résine époxy, fibres de plantain traitées et nanotubes de carbone. La quantité optimale de nanotubes était de 1 % en poids de la résine époxy plantain combinée. Le nanocomposite de plantain résultant était beaucoup plus résistant et rigide que la résine époxy seule. Le composite avait 31 % de résistance à la traction en plus et 34 % de résistance à la flexion en plus que la résine époxy seule. Le nanocomposite avait également un module de traction 52% plus élevé et un module de flexion 29% plus élevé que la résine époxy seule.
« L'hybridation du plantain avec des nanotubes de carbone multi-parois augmente la résistance mécanique et thermique du composite. Ces augmentations font du composite hybride un matériau compétitif et alternatif pour certaines pièces automobiles, " dit le professeur Tien-Chien Jen, le chercheur principal de l'étude et le chef du Département des sciences de l'ingénierie mécanique à l'Université de Johannesburg.
Fibres naturelles vs métaux
La production de pièces automobiles à partir de sources renouvelables présente plusieurs avantages, dit le Dr Patrick Ehi Imoisili, chercheur postdoctoral au Département des sciences de l'ingénierie mécanique de l'Université de Johannesburg. « Il y a une tendance à utiliser des fibres naturelles dans les véhicules. La raison en est que les composites de fibres naturelles sont renouvelables, à faible coût et à faible densité. Ils ont une résistance et une rigidité spécifiques élevées. Les procédés de fabrication sont relativement sûrs, " dit Imoisili. " En utilisant des pièces automobiles fabriquées à partir de ces composites, peut réduire la masse d'un véhicule. Cela peut se traduire par une meilleure efficacité énergétique et une meilleure sécurité. Ces composants ne rouilleront pas et ne se corroderont pas comme les métaux. Aussi, ils peuvent être raides, durable et facile à mouler."
Cependant, certains composites polymères renforcés de fibres naturelles présentent actuellement des inconvénients tels que l'absorption d'eau, faible résistance aux chocs et faible résistance à la chaleur, provoquant des effets tels que la fissuration, pliage ou gauchissement d'une pièce automobile, dit Imoisili.
Les chercheurs ont soumis le nanocomposite de plantain à une série de tests industriels standardisés. Celles-ci comprenaient les méthodes d'essai ASTM D638 et D790, essais d'impact selon la norme ASTM A-370, et ASTM D-2240. Les tests ont montré qu'un composite avec 1% de nanotubes avait la meilleure résistance et rigidité par rapport à la résine époxy seule. Le nanocomposite de plantain a également montré une nette amélioration de la microdureté, résistance aux chocs et conductivité thermique par rapport à la résine époxy seule.
Moulage d'un nanocomposite à partir de fibres naturelles
Les chercheurs ont fabriqué un objet de test de contrainte moulé par compression. Ils ont utilisé une partie de fibres de plantain non comestibles, quatre parties de résine époxy et de nanotubes de carbone multi-parois. La résine époxy et les nanotubes provenaient de fournisseurs commerciaux. L'époxy était similaire aux résines que les constructeurs automobiles utilisent dans certaines pièces automobiles. Les fibres de plantain provenaient des "troncs" ou pseudo-tiges, de plants de plantain dans la région sud-ouest du Nigeria. Les pseudo-tiges sont constituées de feuilles étroitement imbriquées.
Les chercheurs ont traité les fibres de plantain avec plusieurs procédés. Le premier procédé est une ancienne méthode appelée rouissage à l'eau pour séparer les fibres végétales des tiges. Dans le deuxième processus, les fibres ont été trempées dans une solution de soude caustique à 3 % pendant quatre heures. Après séchage, les fibres ont été traitées avec un rayonnement micro-ondes à haute fréquence de 2,45 GHz à 550 W pendant deux minutes. Les traitements à la soude caustique et aux micro-ondes ont amélioré la liaison entre les fibres de plantain et la résine époxy dans le nanocomposite.
Prochain, les chercheurs ont dispersé les nanotubes dans de l'éthanol pour éviter le regroupement des tubes dans le composite. Après ça, les fibres de plantain, des nanotubes et de la résine époxy ont été combinés à l'intérieur d'un moule. Le moule a ensuite été comprimé avec une charge pendant 24 heures à température ambiante.
Culture vivrière vs matière première industrielle
Le plantain est cultivé dans les régions tropicales du monde entier. Cela comprend le Mexique, Floride et Texas en Amérique du Nord; Brésil, Honduras, le Guatemala en Amérique du Sud et Centrale; Inde, Chine, et l'Asie du Sud-Est. En Afrique de l'Ouest et du Centre, les agriculteurs cultivent la banane plantain au Cameroun, Ghana, Ouganda, Rwanda, Nigeria, Côte d'Ivoire, et le Bénin.
L'utilisation de la biomasse des principales cultures vivrières de base peut créer des problèmes de sécurité alimentaire pour les personnes à faible revenu. En outre, l'industrie automobile devra avoir accès à des sources fiables de fibres naturelles pour accroître l'utilisation des composites de fibres naturelles. Dans le cas des bananes plantains, les tensions potentielles entre sécurité alimentaire et usages industriels des matériaux composites sont faibles. En effet, les agriculteurs de plantain jettent les pseudo-tiges en tant qu'agro-déchets après la récolte.
