Développement de matériaux à base de fibres naturelles pour des applications dans le bâtiment

Arfaoui, Mohamed Ameur (2017). Développement de matériaux à base de fibres naturelles pour des applications dans le bâtiment. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La fibre de jute recyclé est proposée pour produire une structure textile de renfort pour les matériaux composites pour application dans le bâtiment en combinaison avec une matrice polymère. Cette fibre est issue de la biomasse. Elle est donc hydrophile et ne résiste pas aux attaques fongiques. Ceci limite son utilisation pour la mise en œuvre de matériaux durables, tels que ceux faits avec des fibres synthétiques. Des traitements de surface ont donc été développés pour améliorer le caractère hydrophobe de la fibre de jute. Des efforts ont également porté sur l’amélioration de sa tenue au feu.

Dans le but de conserver l’aspect vert du non-tissé de jute, le choix a porté sur des traitements non toxiques. Ces traitements incluent l’utilisation d’acides gras, de nanoparticules de ZnO et de TiO2 et de retardateurs au feu à base de phosphore et d’azote. L’évaluation de ces traitements a été réalisée par la mesure du TR (temps à partir duquel une goutte d’eau change de forme) et du WCA (angle de contact formé par une goutte d’eau déposée sur le textile) pour le traitement hydrophobe, et par un test d’inflammabilité pour le traitement ignifuge.

Le traitement direct aux acides gras a légèrement amélioré l’hydrophobicité du non-tissé indépendamment du mode de thermoliage employé. Le degré d’hydrophobicité obtenu à l’issue d’une étude d’optimisation par plans d’expériences était comparable à celui du non-tissé synthétique de référence en termes de WCA, mais restait largement inférieur en termes de TR.

Trois procédés ont été expérimentés pour créer une rugosité nanométrique à base de ZnO sur la surface de la fibre de jute et augmenter son hydrophobicité après traitement aux acides gras. Un procédé implique la synthèse des particules de ZnO avec un liant. Un deuxième requiert une étape de germination et de croissance appliquée par sonication. Le troisième est un procédé hydrothermal. Les paramètres géométriques des nanotiges de ZnO, formées par le procédé hydrothermal, ont été déterminés à l’aide d’un modèle basé sur les données fournies par la TGA, le MEB et le MCBL.

Alternativement, la synthèse de particules de TiO2 sur la surface des fibres de jute a été réalisée par voie sol-gel selon deux techniques. La première technique ne comporte qu’une seule étape. La deuxième comporte deux étapes et requiert l’utilisation d’acide. Le revêtement du non-tissé du jute par le TiO2 a permis d’augmenter son affinité pour les acides gras. Ceci s’est traduit par une élévation de son hydrophobicité en termes de TR. Une analyse a été faite du comportement du non-tissé du jute lors du vieillissement thermique et aux UV.

L’ajout de 4% de TiO2 dans une solution du MDPA appliquée avant le traitement hydrophobe au TiO2/AS a rendu le non-tissé du jute ignifuge et moyennement hydrophobe. Une réduction d’environ 50% des performances mécaniques a été observée.

Ces travaux ont permis le développement d’une série de traitements hydrophobes et/ou ignifuges pour des non-tissés à base de fibre de jute recyclée. Ils offrent un éventail de choix disponibles selon les exigences des applications.

Titre traduit

Development of natural fibre-based materials for building applications

Résumé traduit

Recycled jute fiber is proposed for the purpose of manufacturing textile reinforcements for composite materials for building applications in combination with a polymer matrix. This fiber is biomass-based. It is hydrophilic and does not resist fungal attack. This limits its use in durable products, such as those made with synthetic fibers. Surface treatments were thus developed to improve the hydrophobicity of the jute fibers. Work also involved improving its fire resistance.

In order to preserve the green aspect of the jute nonwoven, the choice focused on non-toxic treatments. These treatments include the use of fatty acids, ZnO and TiO2 nanoparticles, and fire retardants based on phosphorus and nitrogen compounds. The assessment of these fiber surface treatments was carried out by measuring the TR (time at which a drop of water changes shape) and WCA (contact angle formed by a drop of water deposited on the textile surface) for the hydrophobic treatment, and a flammability test for the fire retardant treatment. The impact of these treatments on the thermal, mechanical, and morphological properties of the jute fiber and nonwoven has also been studied.

Direct treatment with fatty acids slightly improved the nonwoven hydrophobicity, independently of the thermal bonding mode used. The hydrophobicity reached after an optimization was conducted using experimental designs, was comparable to that of the reference synthetic nonwoven in terms of WCA, but remained significantly lower in terms of TR.

Three methods have been investigated to create a ZnO-based nanoscale roughness on the jute fiber surface in order to increase its hydrophobicity after treatment with the fatty acid. The first method involves the synthesis of ZnO particles with a binder. The second one comprises a seeding step and a growth step which is applied by sonication. The third method is a hydrothermal process. The geometric parameters of the ZnO nanorods formed by the hydrothermal process were determined using a model based on the data provided by the TGA, MEB, and MCBL.

As an alternative strategy, the synthesis of TiO2 particles on the jute fiber surface was carried out by a sol-gel process according to two techniques. The first technique involves only one step. The second comprises two steps and requires the use of an acid. The coating of the jute nonwoven with TiO2 particles increased its affinity for fatty acids; its hydrophobicity was also improved in terms of TR. The time treatment was drastically reduced by the use of a padder without negatively affecting the nonwoven performance. An analysis of the jute nonwoven behaviour was also made as a result of heat and UV aging.

The addition of 4% of TiO2 in a MDPA solution applied before the hydrophobic treatment with TiO2/AS made the jute nonwoven fire retardant and moderately hydrophobic. A reduction of about 50% in mechanical performance was observed.

This work allowed the development of a series of hydrophobic and/or flame retardant treatment for recycled jute nonwovens. They offer a portfolio of choices depending the application requirements.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 193-208).
Mots-clés libres:	fibres naturelles, traitement hydrophobe, traitement ignifuge, nanoparticules, acides gras
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dubé, Martine
Codirecteur:	Codirecteur David, Éric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	11 févr. 2025 20:36
Dernière modification:	11 févr. 2025 20:36
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1819

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