Développement d'un éco-matériau de type sandwich à base de composites de bois et plastiques de recyclage, et d'éléments de Raphia hookeri

Amadji Togbé Armel. 2021. Développement d'un éco-matériau de type sandwich à base de composites de bois et plastiques de recyclage, et d'éléments de Raphia hookeri. Cotonou : UAC, 258 p. Thèse de doctorat : Mécanique : Université d’Abomey-Calavi

Encadrement : Adjovi, Edouard ; Jean Gérard

Résumé : La présente thèse concerne le domaine de la transformation des déchets en matériaux. Elle traite plus spécifiquement de la transformation des déchets d'emballages plastiques (polystyrène expansé, polyéthylène basse densité) et d'industrie du bois (connexes issus de la 1ère et 2ème transformation) en matériaux composites de type sandwich, au moyen de technologies locales (Bénin). Des chercheurs ont élaboré des composites monocouches et multicouches par transformation de ces déchets en matériaux pour la construction, en mettant en oeuvre des techniques de type low-tech facilement transférables aux opérateurs locaux. Cependant, l'utilisation de ces composites comme produit d'ingénierie dans la construction est limitée par leurs performances qui restent à améliorer pour contribuer de façon optimum à résoudre le problème initial posé qui est l'élimination des déchets plastiques par leur transformation en matériau d'utilité pratique. La présente thèse propose un nouveau modèle d'éco-matériau de type sandwich, utilisant des ressources locales valorisées avec des technologies applicables localement. L'intérêt de ce modèle est qu'il présente des performances élevées comparables à celles de matériaux similaires d'utilité connue dans la construction. La démarche mise en oeuvre a consisté à concevoir le matériau sandwich et à en définir les matériaux de base puis, à évaluer leurs propriétés en vue d'apprécier s'ils peuvent servir de matériaux pour les couches du matériau sandwich. Ensuite, un procédé de fabrication locale a été mis en oeuvre pour réaliser le matériau sandwich et, enfin, ses propriétés ont été étudiées suivant les approches expérimentale, analytique et numérique. De nombreux résultats sont obtenus aussi bien sur les matériaux de base que sur le matériau sandwich. Par exemple, au titre des matériaux de base, les composites bois-polystyrène ont une masse volumique apparente qui varie de 518,3 kg.m- 3 à 925 kg.m-3. Leur module d'Young varie de 105 à 2261,8 MPa en flexion, 584,0 à 2901,3 MPa en traction et de 285,0 à 743,0 MPa en compression. Leur contrainte maximum varie de 0,25 à 8,93 MPa en flexion, 2,10 à 10,50 MPa en traction et de 2,8 à 14,2 MPa en compression. Les composites bois-polyéthylène ont, en moyenne, les propriétés suivantes. Ils ont une masse volumique de 923,5 kg.m-3. En traction, leur module d'Young est de 985,7 MPa et leur contrainte maximum est de 5,80 MPa. En flexion, ils ont un module d'Young de 751,5 MPa et une contrainte maximum de 5,93 MPa. Leur conductivité thermique est de 0,211 W.m-1.°C-1. La partie interne de Raphia hookeri constituant les inclusions a, en moyenne, une faible masse volumique basale de 161,2 kg.m-3, un module d'élasticité de 2200 MPa et une contrainte maximum de 19,1 MPa, en flexion ; sa conductivité thermique moyenne est de 0,061 W.m-1.K-1. En ce qui concerne le matériau sandwich, sa masse volumique est comprise entre 519,1 et 816,0 kg.m-3. Son taux d'absorption d'eau après 24 h varie de 9,54 % à 23,61 % tandis que le taux de gonflement maximum reste faible avec moins de 2 %. En flexion, le module apparent du matériau varie de 1195,6 à 2695,9 MPa et sa contrainte normale maximale est limitée par la contrainte de rupture par traction du composite bois-polystyrène constituant les peaux. La force ultime des panneaux varie entre 506,8 N et 3156,4 N. En compression, le module d'Young des panneaux varie de 472,8 à 639,5 MPa et la contrainte maximum, de 8,60 à 10,17 MPa. La contrainte de cohésion interne varie de 0,60 à 2,77 MPa. La conductivité thermique est comprise entre 0,106 et 0,169 W.m-1.°C-1. Les valeurs des propriétés obtenues montrent que le matériau sandwich présente d'importants potentiels de substitution à d'autres matériaux comme les contreplaqués, les panneaux MDF ou OSB, utilisés en construction où de bonnes propriétés mécaniques et thermiques sont nécessaires.

Résumé (autre langue) : This thesis concerns the field of the transformation of waste into materials. It deals more specifically with the transformation of plastic packaging waste (expanded polystyrene, low density polyethylene) and the wood industry waste (related products from the 1st and 2nd transformation) into composite materials of the sandwich type, using local technologies (Benin). Researchers developed monolayer and multilayer composites by transforming these wastes into material for construction, using low-tech type technics that are easily transferable to local operators. However, the use of these composites as an engineering product in construction is limited by the performances which remain to contribute to their contribution in an optimal way to solve the initial problem posed which is the elimination of plastic waste by their transformation into material. of practical utility. This thesis proposes a new sandwich-type eco-material model, using local resources enhanced with locally applicable technologies. The advantage of this model is that it has high performance comparable to that of similar materials of known utility in construction. The approach implemented consisted of designing the sandwich material and defining the basic materials, then evaluating their properties in order to assess whether they can be used as materials for the layers of the sandwich material. Then, a local manufacturing process was implemented to produce the sandwich material and, finally, its properties were studied using experimental, analytical and numerical approaches. Numerous results are also obtained on the base materials than on the sandwich material. For example, as basic materials, wood-polystyrene composites have bulk density ranging from 518.3 kg.m-3 to 925 kg.m-3. Their Young's modulus varies from 105 to 2261.8 MPa in bending, 584.0 to 2901.3 MPa in tension and from 285 to 743 MPa in compression. Their maximum stress varies from 0.25 to 8.93 MPa in bending, 2.10 to 10.50 MPa in tension and from 2.8 to 14.2 MPa in compression. The wood-polyethylene composites, have the following average properties. Their bulk density is 923.5 kg.m-3. In tension, their Young's modulus is 985.7 MPa and the maximum stress is 5.80 MPa. In bending, they have a Young's modulus of 751.5 MPa and a maximum stress of 5.93 MPa. Their thermal conductivity is 0.211 W.m-1.°C-1. The internal part of Raphia hookeri constituting the inclusions has, on average, a low basal density of 161.2 kg.m-3, a thermal conductivity of 0.061 W.m-1.°C-1, a modulus of elasticity of around 2200 MPa and a maximum stress of 19.1 MPa, in bending. As for the sandwich material, its bulk density ranks from 519.1 to 816.0 kg.m-3. Its water absorption rate after 24 h varies from 9.54 % to 23.61 % while the maximum rate of thickness swelling remains low with less than 2%. In bending, the apparent modulus of the material varies from 1195.6 to 2695.9 MPa and its maximum normal stress is limited by the tensile breaking stress of the wood-polystyrene composite that constitute skins. The ultimate strength of the panels varies between 506.8 N and 3156.4 N. In compression, the Young's modulus of the panels varies from 472.8 to 639.5 MPa and the maximum stress, from 8.60 to 10.17 MPa. The internal bound stress varies from 0.60 to 2.77 MPa. The thermal conductivity varies between 0.106 and 0.169 W.m-1.°C-1. The properties values obtained show that the sandwich material has significant potential for substitution to others materials like plywood, MDF or OSB panels used in construction where materials with good mechanical and thermal properties are required.

Mots-clés Agrovoc : matériaux composites, produits de bois composite, plastique recyclé, technologie des matériaux

Mots-clés complémentaires : Raphia hookeri

Mots-clés libres : Matériau sandwich, Procédé de fabrication local, Raphia, Composites bois - polystyrène, Composites bois - polyéthylène, Conductivité thermique, Contrainte en flexion

Classification Agris : K50 - Technologie des produits forestiers

Auteurs et affiliations

• Amadji Togbé Armel, CIRAD-PERSYST-UPR BioWooEB (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/601836/)

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