Thèses

4 thèses sont menées et co-financées dans le cadre du projet FLOWER. Les 4 doctorants (2 chez le partenaire INRA à Nantes et 2 à l’Université de Bretagne Sud à Lorient) participent aux activités de FLOWER et sont en lien direct avec tous les partenaires du projet. Leurs sujets de recherche sont tous complémentaires et en lien avec les verrous identifiés lors du montage du projet. Vous trouverez ci-dessous une présentation des 4 sujets de thèse et vous pourrez suivre l’avancement de celles-ci régulièrement!

Exploration du développement et de la structure des fibres de lin pour un usage en tant que renforts de matériaux composites

Encadrement:

• Alain Bourmaud, Ingénieur de Recherche, HDR, IRDL Lorient
• Johnny Beaugrand, Directeur de Recherche, INRA Nantes
• Frédéric Jamme, Ingénieur de Recherche, Synchrotron SOLEIL, Gif-Sur-Yvette

L’utilisation de la fibre de lin a une origine très ancienne pour la création des objets et des vêtements, mais aujourd’hui il y a un regain d’intérêt pour ce matériau qui s’est développé en raison de ses propriétés mécaniques extraordinaires comparables à celles de la fibre de verre. Cet aspect ouvre de nouvelles frontières pour l’utilisation de la fibre de lin en tant que matériau à faible densité, écologique et à coût maîtrisé qui peut être utilisé en tant que renforts dans les matériaux composites, en améliorant les propriétés mécaniques et également le cycle de vie de le produit final. Cependant, la fibre de lin a une architecture complexe et ses propriétés peuvent varier en fonction des conditions de croissance du lot, de la variété, des traitements pour l’extraction de la fibre et du vieillissement. Ainsi, il est essentiel de maîtriser au mieux les performances de la plante et des fibres avant de les utiliser dans des matériaux à fin industrielles. 

Les objectifs principaux de cette thèse sont d’utiliser des outils d’analyses pointus pour explorer les propriétés intrinsèques des fibres en considérant différentes variétés de lin mais aussi différentes conditions de culture. Les compétences complémentaires des instituts qui co-encadrent ce travail permettent d’envisager trois axes de travail principaux. Ainsi, les performances mécaniques à l’échelle des fibres élémentaires, mais aussi celles des parois végétales seront explorées par nanoindentation ou AFM Peakforce. Ces résultats seront couplés avec la structuration biochimique et l’architecture pariétale du lin qui sera étudiée par RMN, par micro spectroscopie Raman ou Infrarouge sur des équipements laboratoires conventionnels ou au Synchrotron. Enfin, nous nous intéresserons spécifiquement aux zones de défauts (kink-bands) présentes dans les fibres ainsi qu’à l’organisation de la cellulose et en particulier à son angle microfibrillaire grâce à l’usage de l’imagerie de génération de second harmonique. La mise en place de ces différents essais très complémentaires doit permettre de proposer une contribution significative à l’analyse à petite échelle des parois végétales de lin

Étude multi échelle de l’endommagement de faisceaux de lin, relation structure comportements par approches expérimentales et numériques

Encadrement:

• Dr. Johnny Beaugrand, Directeur de Recherche INRA Nantes
• Dr. Sofiane Guessasma, Chargé de Recherche, INRA Nantes
• Dr. Davy Duriatti, Responsable R&D, Groupe Depestele, Bourguébus

Ce sujet de thèse porte sur la compréhension des endommagements et mécanismes de fracture au sein de faisceaux de fibres de lin. Lors de la dernière décennie, les efforts soutenus et les avancées qui en découlent indiquent que le développement des matériaux composites renforcés par des fibres végétales nécessite aussi une connaissance fondamentale des propriétés intrinsèques des fibres.

Les objectifs de recherche sont déclinables sur deux axes :

• Développer les connaissances autour des mécanismes d’endommagement et de rupture du lin.
• Déterminer des lois constitutives par modélisation numérique utilisant la méthode des éléments finis et s’appuyant sur une validation expérimentale.

Figure 1: Différentes échelles d’étude: la tige, le faisceau, la fibre unitaire ainsi que la paroi cellulaire, adapté à partir de [1]

Deux architectures sont étudiées: le faisceau de fibres ainsi que la fibre unitaire. Un faisceau est lui-même un composite constitué de fibres unitaires reliées par une lamelle mitoyenne. Le rôle de cette dernière dans l’individualisation des fibres unitaires reste à mieux décrire et contrôler. Les lots de lin étudiés sont contrastés en accord avec des paramètres influents de la culture et de la transformation du lin.

L’approche est multi-échelle et comprend les étapes expérimentales et de simulation suivantes :

[1] Bourmaud, A., J. Beaugrand, D. U. Shah, V. Placet and C. Baley (2018). « Towards the design of high-performance plant fibre composites. » Progress in Materials Science 97: 347-408.

Prétraitements pluri-physique combinés pour une matière lin façonnée à une application composite

Encadrement:

• Johnny Beaugrand, Directeur de Recherche, INRA, Nantes
• Alain Bourmaud, Ingénieur de Recherche, Université de Bretagne Sud, Lorient
• Fabienne Guillon, Directrice de Recherche, INRA, Nantes

L’objectif de la thèse est de modifier les matières premières fibres de lin pour deux grandes familles de produits de sortie ciblés, de façon à gagner en performances selon le cahier des charges « produit ».

La thèse peut se diviser en deux parties :

– L’objectif de la première partie est d’évaluer le rôle des différents polymères de la fibre de lin sur ses propriétés. Pour cela, une extraction sélective des biopolymères pariétaux (pectine, hémicellulose, cellulose) par affinité de solvant sera conduite. En parallèle, l’effet des modifications de la structure chimique des biopolymères pariétaux par des effecteurs biologiques (enzymes) sur les propriétés mécaniques sera étudié.

– La seconde partie a pour but d’évaluer l’intérêt des traitements chimiques, physiques et physicochimiques pour modifier la surface des fibres afin d’améliorer l’interface des fibres et de la matrice au sien du matériau composite. Les produits seront des tiges de lin, des fibres teillées et des étoupes de teillage. Outre la modification de la surface des fibres, un autre paramètre sera étudié : l’individualisation des fibres. Pour finir, ces traitements seront mis en œuvre sur des composites non-tissés avec comme matrice du polypropylène et caractérisés mécaniquement.

Caractérisation multi-échelle de renfort innovant en lin pour les composites

Encadrement:

• Alain Bourmaud, Ingénieur de Recherche, Université de Bretagne Sud, Lorient
• Christophe Baley, Professeur, Université de Bretagne Sud, Lorient
• Darshil Shah, Chercheur, Université de Cambridge, Cambridge (UK)

Le but de cette thèse est de développer l’usage des fibres de lin dans les matériaux composites. Elle comprend deux grands axes, chacun mettant en avant une des caractéristiques majeures du lin. 

Le premier se base sur la biodégradabilité de la fibre de lin afin de développer des biocomposites compostables. Pour ce faire, une réflexion sera engagée afin de définir la matrice polymère pertinente à associer au lin de manière à garder le caractère biodégradable du composite, mais également à obtenir un matériau aux propriétés mécaniques acceptables. Ces composites seront réalisés à partir du renfort non tissé développé dans le projet FLOWER par EcoTechnilin, qui a la particularité d’avoir une très faible masse surfacique. Cela permettra d’obtenir un composite léger, fin, possédant une tenue mécanique mais pouvant être composté afin de limiter son impact environnemental. Différentes études mécaniques, de biodégradation ainsi que d’analyse de cycle de vie sont envisagées afin de mieux comprendre le comportement mécanique et les performances environnementales de ce nouveau type de matériau.  

Les fibres de lin se caractérisent aussi par leurs bonnes propriétés mécaniques (proche de celles des fibres de verre) ainsi que des propriétés vibratoires intéressantes. Cela les rend particulièrement pertinentes comme renforts techniques dans des composites à matrice thermodurcissable et notamment pour des applications semi-structurales tels que ceux envisagés dans FLOWER. Les fibres de lin sont alors assemblées en fils ou en mèches servant de base à différentes architectures de préformes selon les directions de renforcement désirées. Nous étudierons ici l’influence de l’architecture des fils et du tissu de lin sur les propriétés mécaniques et structurales du composite final. Nous nous focaliserons plus particulièrement sur les performances du semi-produit développé par Teillage Vandecandelaère – Depestele dans FLOWER : un nouveau tissu bi axial en fibres de lin.