RESUME
RéSUMé
L'objectif des travaux de ce mémoire de Master
Recherche est d'extraire et de caractériser
les fibres de bagasse de saccharum officinarum (canne à
sucre), pour l'élaboration des matériaux composites.
Pour pouvoir atteindre cet objectif, nous avons
étudié, les techniques d'extraction des fibres
végétales et avons retenu trois principaux procédés
qui conviennent pour l'extraction des fibres de bagasse de saccharum
officinarum ; à savoir le peignage, le rouissage et l'extraction
chimique à l'aide de la soude. Ensuite, nous avons
présenté l'état de l'art sur la caractérisation
physico-mécanique des fibres végétales et avons
priorisé comme caractéristique physique : la masse volumique, la
section, la teneur en eau, le taux de reprise, et la finesse. S'agissant de la
caractérisation mécanique, seule la traction a été
faite avec pour principales caractéristiques : la résistance
élastique et mécanique, l'allongement à la rupture et le
module d'Young.
La caractérisation physique nous a permis de constater
que le diamètre moyen des fibres de bagasse se situe au tour
0.16mm. Avec une masse volumique maximale de 2.03 g/cm
3. La comparaison de la masse volumique de ces fibres avec
d'autres fibres végétales révèle que les fibres de
bagasse ont une masse volumique moyenne par rapport aux fibres naturelles
courantes.
Pour ce qui est des principales caractéristiques
mécaniques, les fibres de bagasse présentent une contrainte
maximale de l'ordre de 1289,89 MPa, une contrainte à la
rupture de près de 1231,83 MPa, ainsi qu'un Module
d'Young de 53,17 GPa. Ces valeurs sont supérieures
à plusieurs fibres végétales couramment utilisées
pour l'élaboration des matériaux composites ; à l'instar
de la ramie, la noix de coco etc.
Toutes ces analyses expérimentales ont permis de
constater que le procédé d'extraction chimique
(1N-BPD) présentent les meilleures
propriétés physico-mécaniques et par conséquent les
meilleurs indices de performance (de 406,54 MPa/g.cm-3),
les fibres issues de ces procédés sont donc les mieux
adaptées pour l'élaboration des matériaux composites.
Mots clés :
bagasse, caractérisation, élaboration, extraction de fibre,
saccharum officinarum.
Mémoire de fin d'études de Master
Recherche en Génie Mécanique, ENSP, UYI, 2019
Par : PONDI Joseph
v
ABSTRACT
ABSTRACT
The objective of this research Master's thesis is to extract
and characterize bagasse fibers of saccharum officinarum (sugarcane), for the
elaboration of composite materials.
To achieve this objective, we have studied the extraction
techniques of plant fibers and selected three main processes that are suitable
for the extraction of sugarcane bagasse fibers; namely combing, retting and
chemical extraction using soda. Then, we presented the state of the art on the
physico-mechanical extraction using soda. Then, we presented the state
characterization of plant fibers and density, the section, the water content,
the recovery rate, and the fineness. With regard to mechanical
characterization, only traction was made with the main characteristics: elastic
and mechanical resistance, elongation at break and Young's modulus.
The physical characterization allowed us to note that the
average diameter of bagasse fibers is 0.16mm. With a maximum
density of 2.03 g/cm 3..
Comparison of the density of these fibers with other vegetable
fibers reveals that the bagasse fibers have a mean density compared to the
normal natural fibers.
With regard to the main mechanical characteristics, the
bagasse fibers have a maximum stress of about 1289.89 MPa, a
breaking stress of nearly 1231.83 MPa, and a Young's modulus
of 53,17 GPa. These values are superior to several plant
fibers commonly used for the elaboration of composite materials; like ramie,
coconut etc.
All these experimental analyzes have shown that the chemical
extraction process (1N-BPD) has the best physico-mechanical properties and
consequently the best performance indices (of 406.54 MPa / g.cm-3),
the fibers resulting from these processes are therefore best suited
for the preparation of composite materials.
Key words: cane-trash,
characterization, elaboration, fiber extraction, saccharum officinarum.
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Recherche en Génie Mécanique, ENSP, UYI, 2019
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LISTE DES FIGURES
LIStE DES FIGURES
Figure I.1 : Champ de saccharum officinarum 14
Figure I.2 : Schéma de fabrication du sucre dans la
sucrerie 15
Figure I.3 : Schéma de fabrication de Rhum dans une
distillerie 16
Figure I.4 : Schéma de séparation Tilby 17
Figure I.5 : Différents domaines d'application
technique des fibres naturelles 20
Figure I.6 : Illustration d'un dispositif expérimental
pour l'étude du comportement dynamique
des fibres 23
Figure I.7 : Illustration d'un test de compression sur fibre.
23
Figure I.8 : Section d'un faisceau de fibres obtenue par
microscope électronique à balayage
(MEB) 25
Figure II.1 : Matériaux vierges : bagasse 27
Figure II.2 : Matériel pour traitement chimique 28
Figure II.3 : Aspect des solutions de l'extraction chimique
30
Figure II.4 : Aspect des solutions lors du rouissage 31
Figure II.5 : Matériel pour Peignage 31
Figure II.6 : Observation du diamètre moyen des fibres
de bagasse à l'aide du microscope 32
Figure II.7 : Aspect morphologique de quelques fibres
observées au microscope 32
Figure II.8 : Matériel pour détermination de la
masse volumique 33
Figure II.9 : Etude Heraeus (250°C) 34
Figure II.10 : Machine d'essais de traction 35
Figure II.12 : Image matériau en Compression et Flexion
[44] 36
Figure III.1 : Fibres de bagasse extraites 40
Figure III.2 : Evolution du taux d'absorption en fonction du
procédé 41
Figure III.3 : Evolution du taux de reprise en fonction du
Procédé 43
Figure III.4 : Comparaison du diamètre moyen en
fonction du procédé 44
Figure III.5 : Evolution des diamètres des
différents procédés avec l'écart type 45
Figure III.6 : Evolution suivant la loi normale des
diamètres des fibres 45
Figure III.7 : Comparaison des résultats sur les
sections moyennes des fibres en fonction des
procédés 46
Figure III.8 : Evolution de la section des fibres suivant la
loi normale 47
Figure III.9 : Comparaison des résultats sur les masses
volumiques des fibres en fonction des
procédés 48
Figure III.10 : Comparaison de la finesse des fibres en
fonction du procédé d'extraction 49
Figure III.11 : Evolution de la finesse par calcul du
diamètre en fonction des procédés 50
Figure III.12 : Courbe contrainte déformation (1N BPD)
51
Figure III.13 : Courbe contrainte déformation (1N BPS)
52
Figure III.14 : Courbe contrainte déformation (0.1N
BPD) 53
Figure III.15 : Courbe contrainte déformation (0.1N
BPS) 54
Figure III.16 : Courbe contrainte déformation (2N BPS)
55
Figure III.17 : Courbe contrainte déformation (2N BPD)
56
Figure III.18 : Courbe contrainte déformation
(Rouissage- BPD) 57
Figure III.19 : Courbe contrainte déformation
(Rouissage-BPS) 58
Figure III.20 : Courbe contrainte déformation
(Peignage) 59
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LISTE DES FIGURES
Figure III.21 : Comparaison des modules d'Young 60
Figure III.22 : Comparaison des contraintes de rupture des
procédés 60
Figure III.23 : Comparaison des contraintes maximales des
procédés 61
Figure III.24 : Comparaison des allongements des
procédés d'extraction 61
Figure III.25 : Comparaison du Module d'Young avec d'autres
fibres 63
Figure III.26 : Comparaison de la résistance à
la rupture avec d'autres fibres 64
Figure III.27 : Comparaison de l'allongement à la
rupture avec d'autres fibres 64
Figure III.28 : Comparaison teneur en eau et taux de reprise
de quelques fibres de référence 65 Figure III.29 : Comparaison de
la masse volumique moyenne des fibres de bagasse avec
d'autres fibres végétales 66
Figure III.30 : Comparaison des indices de performances 67
Figure 0.1 : Courbes force allongement des fibres des
différents procédés 78
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SOMMAIRE
Liste des tableaux
Tableau I.2 : Densité des particules de bagasse [2]
18
Tableau I.3 : Composition chimique de la bagasse,
d'après les principaux auteurs de la
littérature [2]. 18
Tableau II.1 : Choix des techniques d'extraction des fibres de
bagasse 27
Tableau II.2 : Conditions de prétraitement des
particules de bagasse 28
Tableau II.3 : Conditions d'extraction chimique à la
soude [2] 29
Tableau II.4 : Protocole expérimental pour le rouissage
30
Tableau III.1 : Rendement des différents
procédés d'extraction 39
Tableau III.2 : Calcul de la teneur en eau 40
Tableau III.3 : Calcul du taux de reprise 42
Tableau III.4 : Mesure du diamètre moyen des fibres
43
Tableau III.5 : Détermination de la section moyenne des
fibres 46
Tableau III.6 : Calcul de la masse volumique 47
Tableau III.7 : Détermination de la finesse par calcul
du titre 48
Tableau III.8 : Détermination de la finesse par calcul
du diamètre 49
Tableau III.9 : Données générales de la
meilleure méthode d'extraction 62
Tableau III.10 : Propriétés Mécaniques
des fibres de bagasse et celles rencontrées dans la
littérature 62
Tableau III.11 : Taux de reprise et teneur en eau de quelques
fibres de référence [44] 65
Tableau 0.1 : Données des mesures de diamètres
(0.1N-BPD) 72
Tableau 0.2 : Données des mesures de diamètres
(0.1N-BPS) 72
Tableau 0.3 : Données des mesures de diamètres
(1N-BPD) 73
Tableau 0.4 : Données des mesures de diamètres
(1N-BPS) 73
Tableau 0.5 : Données des mesures de diamètres
(2N-BPD) 74
Tableau 0.6 : Données des mesures de diamètres
(2N-BPS) 74
Tableau 0.7 : Données des mesures de diamètres
(Peignage) 75
Tableau 0.8 : Données des mesures de diamètres
(Rouissage-BPD) 75
Tableau 0.9 : Données des mesures de diamètres
(Rouissage-BPS) 76
Tableau 0.10 : Relevé des masses des fibres de bagasse
en fonction de la longueur (R-BPS, 1N-
BPS, 0.1N-BPD, 2N-BPS) 76
Tableau 0.11 : Relevé des
masses des fibres de bagasse en fonction de la longueur (R-BPD,
1N-BPD, 0.1N-BPS, 2N-BPD). 77
Tableau 0.12 : Relevé
des masses des fibres de bagasse en fonction de la longueur (Peignage)
77
Tableau 0.13 : Calcul des Indices de performance 78
Tableau 0.14 : Données des essais de traction des
fibres 79
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SOMMAIRE
SOMMAIRE
Dédicace.........................................................................................................................
Remerciements ii
GLOSSAIRE iii
Résumé iv
Abstract v
Liste des figures vi
Liste des tableaux viii
SOMMAIRE ix
INTRODUCTION GENERALE 12
I. Revue de la littérature 13
I.1 Culture d'un champ de saccharum officinarum 14
I.2 Transformation sucrerie/distillerie 14
I.2.1 Dans la sucrerie 14
I.2.2 Dans la distillerie 15
I.3 Techniques conventionnelles de transformation de la bagasse
16
I.3.1 Méthodes naturelles 16
I.3.2 Traitement chimique 16
I.3.3 Explosion à la vapeur 16
I.4 Méthode d'extraction des fibres de saccharum
officinarum 17
I.4.1 Extraction mécanique 17
I.4.2 Séparation écorce/moelle à partir de
la canne 17
I.4.3 Extraction chimique 17
I.4.4 Extraction enzymatique 18
I.5 Quelques propriétés de la bagasse 18
I.5.1 Densité des particules 18
I.5.2 Composition chimique de la bagasse 18
I.5.3 De la Plante à la fibre 18
I.6 Applications courantes des fibres de bagasse de saccharum
officinarum 19
I.7 Valorisation des fibres naturelles dans les matériaux
composites 21
I.8 Caractérisation des fibres de saccharum officinarum
21
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SOMMAIRE
I.8.1 Caractérisation mécanique des fibres de
saccharum officinarum 21
I.8.2 Caractérisation physique, et morphologique des
fibres 24
I.9 Conclusion 25
II. MATERIELS ET METHODES 26
II.1 Préparation de la bagasse 26
II.2 Préparation de la matière 27
II.3 Méthodes des fibres de saccharum officinarum 27
II.3.1 Choix de la méthode d'extraction 27
II.3.2 Protocole expérimental d'extraction de fibres de
canne broyée 28
II.4 Caractérisation des fibres de bagasse 31
II.4.1 Aspect morphologique 32
II.4.2 Méthodes de caractérisation physique 33
II.4.3 Hygroscopique des fibres de bagasse 34
II.4.4 Méthodes de caractérisation mécanique
34
II.5 Détermination des Indices de performances 36
II.6 Conclusion 37
III. RéSULTATS ET DISCUSSION 38
III.1 Etudes des rendements des différents
procédés d'extraction 39
III.2 Propriétés hygrométriques des fibres
de bagasse 40
III.2.1 Détermination de la teneur en eau 40
III.2.2 Détermination du taux de reprise 42
III.3 Propriétés physiques des fibres de bagasse de
saccharum officinarum. 43
III.3.1 Détermination du diamètre moyen des fibres
43
III.3.2 Détermination de la section des fibres de bagasse
de saccharum officinarum 46
III.3.3 Détermination de la masse volumique des fibres de
bagasse de saccharum
officinarum 47
III.3.4 Détermination de la finesse par calcul du titre
48
III.3.5 Mesure de la finesse par le calcul du diamètre
49
III.4 Propriété mécanique en traction des
fibres de bagasse de saccharum officinarum 50
III.4.1 Présentation des résultats
expérimentaux 50
III.4.2 Comparaison des procédés d'extraction 59
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SOMMAIRE
III.4.3 Comparaison des propriétés
mécaniques des fibres de bagasse avec d'autres fibres
végétales. 62
III.4.4 Comparaison de la masse volumique avec les fibres
naturelles courantes 65
III.4.5 Détermination des indices de performance pour
chaque procédé 66
III.5 Conclusion 67
Conclusion et perspectives 68
Bibliographie 70
ANNEXES 72
ANNEXESI : Relevé des données des mesures
diamètres à l'aide du microscope optique 72
ANNEXESII : Relevé des données des mesures des
masses des fibres en fonction des
procédés. 76
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