Caractérisation mécanique de la paroi cellulaire des fibres de lin par AFM : de la biomécanique aux effets des procédés de mise en forme des composites bio-sourcés
Résumé
L'intérêt industriel pour les fibres libériennes végétales utilisées comme renforts de matériaux composites augmente. Cette tendance
s’explique notamment par leur faible impact sur l'environnement et leurs propriétés mécaniques spécifiques très intéressantes qui les
rendent attractives pour les applications dans les transports. Les propriétés en traction des fibres élémentaires sont bien décrites dans
la littérature, mais des informations complémentaires à l'échelle de la paroi cellulaire sont nécessaires pour mieux comprendre la
relation entre leur ultrastructure et leurs performances mécaniques. Le but de ce travail est de présenter les résultats issus de
caractérisations mécaniques effectuées en microscopie à force atomique (AFM), avec le mode PeakForce Quantitative
Nanomécanique (PF-QNM) qui permet de réaliser des cartographies de module élastique d'indentation (ou de contact) à des échelles
de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres.
Dans un premier temps, cet outil a été utilisé afin de vérifier la présence ou non de gradient mécanique de module d'indentation au
sein des couches de la paroi cellulaire des fibres de lin, en utilisant des essais de nanoindentation instrumentée et des fibres de
synthèse (Kevlar) comme mesure de référence. Des cartographies de module d'indentation ont ainsi été effectuées à l'échelle
nanométrique, à la fois sur des parois cellulaires à différentes phases de développement dans la plante (biomécanique des tiges de lin)
et matures. Ces cartographies ont permis de mettre en évidence la présence de sous couches au sein de la paroi cellulaire secondaire
des fibres en cours en développement, avec des différences significatives de propriétés mécaniques. En revanche aucun gradient de
modules d'indentation n’a pu être décelé dans les sections de fibres matures.
De plus, cette démarche a été utilisée pour mieux comprendre l'évolution des propriétés mécaniques et morphologiques des fibres de
lin au cours du procédé de rouissage. Les mesures par AFM ont été complétées par une analyse de l'évolution de l'ultrastructure de la
paroi cellulaire des fibres à l'aide de mesures DRX et RMN (cristallinité de la cellulose).
Enfin, l’impact d’un cycle thermique, subi lors de l’élaboration d’un composite, sur les performances des parois végétales de lin a été
étudiée à l'échelle de la paroi cellulaire. Des mesures de module d'indentation ont été effectuées, à la fois par nanoindentation et PFQNM, sur des sections de fibres de lin traitées thermiquement à différentes températures (de 140 à 250°C) au sein d'une matrice
polymère (PBS ou PP-MAPP) ou en l'absence de tout confinement (fibres isolées).