Le lin (Linum usitatissimum L.) est une plante aux intérêts multiples. Sa tige est source de fibres, depuis longtemps utilisées dans le domaine du textile. Ce potentiel économique justifie la sélection variétale du lin en vue de développer des variétés plus riches en fibres et offrant une meilleure résistance aux maladies et la verse. Plus récemment, les fibres de lin ont vu leur utilisation s’étendre au renfort de matériaux composites grâce à leurs étonnantes propriétés mécaniques et morphologiques. Ces propriétés singulières s’expliquent grâce à leur développement et à leurs fonctions dans la tige. Ainsi, ce travail de thèse propose une caractérisation multi-échelle du lin, de la tige jusqu’à la paroi cellulaire de la fibre, afin de comprendre le lien entre les paramètres de croissance de la plante, le développement des fibres et leurs propriétés. L’architecture générale d’une tige de lin est explorée, ainsi que les conséquences de la sélection variétale sur cette structure et sur les propriétés des fibres. De plus, l’évolution des propriétés mécaniques des parois de fibres au cours de la croissance de la plante et de la phase de rouissage est caractérisée. En complément, la contribution des fibres à la rigidité en flexion d’une tige est mise en évidence, de même que leur rôle dans la résistance des tiges au flambage. Enfin, l’influence des conditions de culture sur les architectures des tiges et propriétés des fibres est étudiée par le biais de cultures en serre ou encore en simulant un phénomène de verse. Cette approche originale met en valeur les caractéristiques remarquables du lin qui en font un modèle de bioinspiration pour les matériaux composites de demain / Flax (Linum usitatissimum L.) is a plant with multiple interests. Its stem provides fibers, which have long been used in the textile industry. The economic potential of flax explains its varietal selection, aiming at developing varieties exhibiting higher fiber yields as well as greater resistance toward diseases and lodging. More recently, flax fibers have been dedicated to the reinforcement of composite materials due to their outstanding mechanical and morphological properties. These singular characteristics are related to fiber development and functions within the stem. Thus, the present work offers a multi-scale characterization of flax, from the stem to the fiber cell wall, in order to understand the link between plant growth parameters, the development of its fibers and their properties. The general architecture of a flax stem is investigated, as well as the impact of the varietal selection on this structure and on fiber performances. Moreover, changes in mechanical properties of fiber cell walls over plant growth and retting process are characterized. In addition, the fiber contribution to the stem stiffness is highlighted, as well as the fiber role in the resistance of the stem to buckling. The influence of culture conditions on stem architecture and fiber features is also studied through cultivations in greenhouse and by simulating a lodging event. This original approach emphasizes the uncommon characteristics of flax, which make this plant an instructive model toward future bioinspired composite materials.

Les composites bio-sourcés et notamment à base de fibres de lin connaissent depuis quelques années un regain d’intérêt, particulièrement dans les domaines des transports, de la mobilité et des loisirs. En effet, le faible coût énergétique et environnemental de la fibre de lin lui confère un avantage face à la fibre de verre, tout en la concurrençant en termes de propriétés mécaniques spécifiques. Cependant le comportement à long terme en environnement humide des composites à base de fibres de lin reste méconnu et constitue un frein à leur utilisation à plus grande échelle. Les objectifs de ces travaux sont de donner des clés pour produire un composite lin/époxy de haute qualité et de contribuer à l’amélioration de la connaissance de la durabilité de ces matériaux. Tout d’abord, l’influence de nombreux paramètres de mise en œuvre [(i) le pré conditionnement des renforts, (ii) la température de cuisson, (iii) la pression appliquée lors de la cuisson, (iv) la vitesse de refroidissement, (v) la température de sortie de la plaque, (vi) la température de post-cuisson et (vii) la durée de post-cuisson] sur les propriétés mécaniques des composites a été étudiée afin d’obtenir des matériaux de haute qualité. Une méthode de vieillissement « réaliste » a ensuite été développée afin d’étudier la durabilité de ce type de composites en présence d’eau. Des cycles de vieillissements hygrothermiques ont ainsi été menés en laboratoire sur des éprouvettes de composite, de résine et des faisceaux de fibres. Puis des analyses multi-échelles basées sur des caractérisations physico-chimiques, microstructurales et morphologiques du composite lin/époxy au cours de ce vieillissement ont permis de mieux comprendre les mécanismes responsables de leurs évolutions de propriétés mécaniques longitudinales et transverses au cours du temps. / In recent years there is renewed interest for bio-sourced composites, including those based on flax fibers, and especially in the field of transport, mobility and leisure. In fact, the lower energy cost and environmental impact of flax fiber give it an advantage over glass fiber, while competing with its specific mechanical properties. However, flax fibers based composites long-term behavior remains poorly known in damp environments and constitutes an obstacle to a wider use. This work aims to provide adapted parameters to produce a high-grade flax/epoxy composite and to contribute to improve the durability knowledge of these materials. First, the influence of many processing parameters [(i) conditioning of the reinforcements, (ii) curing temperature, (iii) curing pressure, (iv) cooling speed, (v) exit temperature, (vi) post curing temperature and (vii) post curing duration] on the composites’ mechanical properties have been studied in order to manufacture high-grade materials. Then a “realistic” ageing method has been developed to study the durability of this kind of composites when exposed to water. Thus cyclic hygrothermal ageing has been applied to composite, resin and fiber bundles in the laboratory. Then multi-scale analyzes based on physicochemical, microstructural and morphological characterizations of the flax/epoxy composites helped to better understand the mechanisms responsible for the longitudinal and transverse mechanical properties’ evolutions over time.

Durant les dernières décennies, les composites polymères renforcés par des fibres végétales ont reçu une attention importante de la part des scientifiques. L’utilisation de fibres végétales permet en effet d’améliorer les performances environnementales de ces matériaux tout en atteignant des propriétés spécifiques plus élevées. Néanmoins, un verrou majeur freine encore le développement de ces matériaux. En effet, leur sensibilité au vieillissement hydrique, due à leur caractère hydrophile, restreint leur utilisation. Dans ce contexte, nous proposons, dans le cadre de cette thèse, d’analyser l’effet du vieillissement hydrique sur le comportement statique et dynamique, d’identifier et suivre les mécanismes d’endommagement d’une structure sandwiche biosourcée et ses constituants. Les composites utilisés sont constitués d'une résine greenpoxy associée à des fibres de lin et à une âme en liège pour les sandwichs. Dans la première partie, nous avons étudié le comportement en statique et en dynamique de la résine, du composite, des âmes et des sandwichs. Cette étude a conduit d’une part à la détermination des caractéristiques mécaniques et à l’identification et le suivi des mécanismes d’endommagement par émission acoustique et observations microscopiques et d’autre part à la détermination des caractéristiques dynamiques. Dans la deuxième partie, nous avons analysé la cinétique de diffusion d'eau dans la résine, les peaux, les âmes et les sandwichs par identification de leurs paramètres de diffusion par le modèle de Fick. En suite, nous sommes intéressés à l’impact du vieillissement hydrique sur le comportement et les propriétés mécaniques des sandwichs et ses constituants. / In recent decades, polymer composites reinforced with plant fibers have received significant attention from scientists. The use of reinforcing vegetable fibers makes it possible to improve the environmental performance of these materials reaching higher specific properties. Nevertheless, a major lock still hinders the development of these materials. Indeed, their sensitivity to water ageing, due to their hydrophilic nature, restricts their use. In this context, we propose, as part of this thesis, to analyze the effect of water ageing on static and dynamic behavior, to identify and monitoring the damage mechanisms of a sandwich structure biobased and its constituents. The composites used consist of a greenpoxy resin associated with flax fibers and a cork core for sandwich materials. In the first part of this work, we studied the static an dynamic behavior of the resin, the composites, cores and sandwich structures. This study led on the one hand to the determination of the mechanical characteristics and to the identification and the follow-up of the mechanisms of damage by acoustic emission and microscopic observations and on the other hand to the determination of the dynamic characteristics. In the second part, we first analyzed the kinetics of water diffusion in resin, skins, cores and sandwichs by identification of their diffusion parameters by the Fick model approach. Then, we are interested in the impact of water ageing on the behavior and mechanical properties iof sandwichs and its constituents.

Flax fibers, along with a number of other natural fibers, are being considered as an environmentally friendlier alternative of synthetic fibers in fiber-reinforced polymer composites. A common feature of natural fibers is a much higher variability of mechanical properties. This necessitates study of the flax fiber strength distribution and efficient experimental methods for its determination. Elementary flax fibers of different gauge lengths are tested by single fiber tension in order to obtain the stress-strain response and strength and failure strain distributions. The applicability of single fiber fragmentation test for flax fiber failure strain and strength characterization is considered. It is shown that fiber fragmentation test can be used to determine the fiber length effect on mean fiber strength and limit strain. The effect of mechanical damage in the form of kink bands and of diameter variability on the strength of elementary flax fibers is considered. Stiffness and strength under uniaxial tension of flax fiber composites with thermoset and thermoplastic polymer matrices are studied. The applicability of rule of mixtures and orientational averaging based models, developed for short fiber composites, to flax reinforced polymers are evaluated. Both the quasi-static and time dependent mechanical properties of flax fiber/thermoplastic starch based composites are analyzed. The effect of temperature and relative humidity is investigated. It is found that microdamage accumulation in this type of composites is not significant. Results show that the composite elastic modulus and failure stress are linearly related to the maximum stress reached by the matrix in tensile tests. Simple material models are suggested to account for the observed nonlinear viscoelasticity and viscoplasticity. / Godkänd; 2009; 20091029 (edgspa); DISPUTATION Ämnesområde: Polymera konstruktionsmaterial/Polymeric Composite Materials Opponent: Docent Kristofer Gamstedt, Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm Ordförande: Docent Roberts Joffe, Luleå tekniska universitet Tid: Onsdag den 9 december 2009, kl 10.00 Plats: E 231, Luleå tekniska universitet

De nombreux exemples de matériaux composites obtenus par l’association de fibres végétales et de polymères ont permis des allègements conséquents de structures dans divers domaines d’application. Cependant, la question demeure quant de la durabilité de ces pièces en service, essentiellement par manque de connaissances sur le vieillissement des fibres végétales, sur leurs interactions avec la matrice polymère et sur le comportement hydrothermique des composites biosourcés au cours du temps. Dans cette étude, nous avons étudié les cinétiques et mécanismes de sorption du matériau composite afin d’appréhender son comportement hydrique lors des vieillissements hydrothermiques par immersion dans l’eau à 23°C et 70°C. Cette étude a mis en évidence l’influence des fibres végétales sur les grandeurs caractéristiques de l’absorption en eau du matériau composite : forte prise en eau, gonflement anisotrope. Elle a également permis l’identification des mécanismes de dégradation des fibres de lin ; le rôle très nocif des résidus d’écorce rappelle l’importance du rouissage et du défibrage sur les performances de ces fibres. L’étude du comportement des constituants et du composite confrontés à des vieillissements hydrothermiques a ensuite été entreprise afin d’identifier et quantifier l’influence de chacun des matériaux constitutifs, ainsi que leur synergie. Il en ressort que la détérioration des fibres de lin est la principale cause de l’abattement des propriétés mécaniques du matériau composite. Si une immersion à 23°C pendant 70 jours n’a que peu d’effet sur les propriétés mécaniques, l’élévation de la température à 70°C induit des endommagements importants dès 14 jours d’immersion. La destruction des parois cellulaires et la dégradation des interfaces fibre/matrice sous l’effet de la présence d’eau détériorent le transfert de charge matrice/fibre. La corrélation entre les vieillissements accélérés et naturel a fait ressortir une similitude entre le maintien pendant 70 jours dans l’eau à 23°C et l’exposition aux conditions naturelles pendant 24 mois ; l’immersion à 70°C s’avère trop sévère. Une solution d’amélioration serait d’accentuer le rouissage des fibres afin de supprimer davantage les composés pectiques de la lamelle mitoyenne et de la paroi primaire. L’élimination de ces composés facilement hydrolysables par l’eau permettrait de prétendre à une meilleure qualité de l’interface fibres/matrice tout au long du vieillissement. / A great number of plant fiber – reinforced polymer composites allowed substantial lightening of structures in various fields of application. However, the question remains about the durability of these parts in service, mainly for lack of knowledge about the aging of plant fibers, their interactions with the polymer matrix and the hydrothermal behavior of biosourced composites over time. In this work, water absorption mechanisms and kinetics by the composite material are studied in order to understand the hydric behavior during hydrothermal aging by immersion in deionized water at 23°C or 70°C. The results show that water absorption by the composite is characterized by a high water uptake and an anisotropic swelling. It also allowed the identification of the degradation mechanisms of flax fibers; the very harmful role of bark residues recalls the importance of retting and decortication on the performance of these fibers.The investigation of the behaviors of the constituents and the composite under hydrothermal aging was then undertaken with the aim to identify and quantify the influence of each on the constituent materials, as well as their synergy. It shows that the deterioration of the flax fibers is the main cause of the reduction of the mechanical properties of the composite. If immersion at 23 ° C for 70 days has little effect on the mechanical properties, raising the temperature to 70 ° C induces significant damage from 14 days of immersion. The destruction of the cell walls and the degradation of the fiber/matrix interfaces due to water deteriorate the load transfer efficiency by the fiber/matrix interface. The correlation between accelerated and natural aging showed a similarity between holding for 70 days in water at 23 ° C and exposure to natural conditions for 24 months; immersion at 70 ° C is too severe. An improvement solution would be to increase the retting of the fibers in order to further remove the pectic compounds from the middle lamella and the primary wall. The elimination of these compounds easily hydrolysable by water would claim to a better quality of the fiber / matrix interface throughout aging.