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Des matériaux biologiques pour des véhicules légers

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Dans les transports publics, les matériaux composites sont incontournables pour parvenir à construire des véhicules légers. Les réticences à leur égard sont tout aussi importantes pour des questions d’écologie et de résistance au feu. L’Institut des matériaux et de la technologie du bois de la BFH travaille à la conception de produits innovants prêts à être mis sur le marché.

Les facteurs essentiels déterminant le succès des matériaux composites sont le poids restreint, les performances mécaniques, la flexibilité d’utilisation et la durée de vie. Cela s’applique en particulier aux applications high-tech du domaine de l’aéronautique et de l’astronautique, aux voitures de course ou à l’habillement sportif. Ces propriétés rendent aussi les matériaux composites intéressants pour l’industrie ferroviaire. Dans ce domaine également, le danger d’incendie et ses conséquences sont des enjeux cruciaux. Or ce type de matériaux est généralement constitué de polymères combustibles. En outre, les renforcements en fibre de verre ou de carbone alourdissent leur empreinte écologique, diminuant ainsi les gains énergétiques obtenus grâce à leur légèreté. Les solutions recherchées doivent donc être satisfaisantes du point de vue écologique et en matière d’incendie.

Dans les wagons de chemins de fer

Figure 1: Intérieur d’un wagon de deuxième classe pour le trafic à grande vitesse transeuropéen. Les matériaux composites légers peuvent grandement améliorer l’efficacité énergétique.

Les matériaux composites constituent moins de 3 % du poids total des wagons de chemin de fer actuels (figure 1). Une augmentation de la proportion de ces matériaux utilisés pour la construction légère dans le matériel roulant ferroviaire contribuerait grandement à l’objectif de réduction du poids de 15 à 30 % que s’est fixé l’industrie européenne dans ce domaine. Depuis 2013, plusieurs nouveaux programmes de recherche européens se consacrent à cette thématique, par exemple Refresco, Roll2Rail et Shift2Rail. La protection contre le feu reste toutefois problématique. La norme ferroviaire contraignante DIN EN 45545, entrée en vigueur en 2018, règlemente et harmonise les exigences de protection contre l’incendie de tous les matériaux utilisés dans les wagons. Des valeurs limites strictes ont été introduites pour l’inflammabilité, la formation de gaz, ainsi que la densité et la toxicité de la fumée. Les matières plastiques et les matériaux composites généralement utilisés ne répondent pas aux nouvelles exigences, qui sont souvent plus sévères que les prescriptions nationales en vigueur par le passé. De plus, des questions de couts, de durabilité et de recyclabilité empêchent les matériaux composites de se faire leur place dans l’industrie ferroviaire.

Des molécules naturelles résistantes au feu

La résistance au feu des polymères d’origine fossile peut être obtenue en leur ajoutant des retardateurs de flammes tels que des produits halogénés ou basés sur le phosphore, dont on peut supposer qu’ils sont toxiques. Il est également possible de leur ajouter des revêtements intumescents – les matériaux intumescents gagnent en volume et perdent donc en densité sous l’effet de la chaleur. En général, les substances intumescentes sont utilisées pour la prévention des incendies dans le bâtiment. Mais le règne végétal offre aussi des possibilités: les tanins sont des polyphénols, des molécules naturelles présentes dans divers tissus végétaux qui ne brulent pratiquement pas. Mis en contact avec le feu, les systèmes de résine qui se fondent sur ces composés s’éteignent presque immédiatement une fois la flamme éloignée (figure 2). Dans le monde, actuellement, on extrait à l’eau chaude quelque 200 000 tonnes de tanin par an. L’écorce et le bois de cœur de certaines essences tropicales (l’espèce d’acacia black wattle ou le québracho, par exemple) constituent les principales matières premières pour les tanins. Une production européenne de tanins issue des restes d’écorces de l’industrie du bois indigène devrait voir le jour ces prochaines années.

Les tanins sont déjà utilisés à des fins multiples: travail traditionnel du cuir, production de colles, revêtements, mousses isolantes, plastifiants pour le ciment, antioxydants pour les denrées alimentaires et les soins de santé… Les matériaux composites ne seront donc qu’un champ d’application supplémentaire de ces molécules polyvalentes.

Figure 3: Les matériaux composites à base de fibres plates et de tanins (à droite) sont entièrement fabriqués à partir de matières premières durables et renouvelables: tanins présents dans les écorces et fibres plates.

Poids plume mais hautes performances

Les fibres de verre ou de carbone constituent le choix le plus courant pour la production de matériaux composites hautement performants. Elles ont en commun de mieux résister à la traction que l’acier et de bien se laisser modeler. La quantité importante d’énergie que nécessite leur production exerce toutefois un impact négatif sur leur bilan écologique. Là aussi, le règne végétal offre une solution.

Les fibres issues de plantes annuelles telles que le chanvre, le lin, la jute ou la ramie, qui représentent un marché mondial d’environ trois millions de tonnes par an, peuvent atteindre une résistance à la traction comparable ou même supérieure à celle des fibres de verre. Cette propriété découle de l’anatomie particulière de ces fibres: elles sont constituées de microfibrilles de cellulose orientées presque dans la même direction que la fibre, qui donnent à cette dernière une grande solidité et une rigidité élevée. En outre, la densité des fibres végétales est presque de 40 % inférieure à celle des fibres de verre, ce qui leur confère un rapport solidité/poids très compétitif lorsqu’il s’agit de remplacer celles-ci.

Biologique, novateur, résistant au feu

Figure 2: Test de combustibilité d’un matériau composite fabriqué à base de fibres plates et de tanins. L’échantillon ne s’enflamme pas et le rougeoiement disparait rapidement.

L’Institut des matériaux et de la technologie du bois de la BFH a développé un nouveau type de matériau combinant tanins et fibres plates (figure 2). Les résultats obtenus sont déjà prometteurs. Lors de tests, les matériaux composites constitués de tanins et renforcés de fibres plates se sont avérés moins inflammables que les matériaux composites de la classe actuelle de résistance au feu la plus exigeante (figure 3). La solidité et la rigidité étaient comparables à celles de produits fossiles. De plus, une étude préalable a conclu à une empreinte CO2 de 40 % moins importante que celle d’autres produits. Les résultats obtenus ne permettent toutefois pas encore de respecter les exigences très strictes de la norme DIN EN 45545. Afin d’améliorer le produit, le projet Innosuisse «NATURECOMP» a été lancé récemment sous la direction de la BFH, en collaboration avec l’Institut de technique des matériaux et de traitement des matières plastiques de la Haute école technique de Rapperswil (IWK-HSR). Le projet s’est également associé à un large consortium de partenaires industriels – dont des producteurs de résines, de tissus en fibres naturelles, de matériaux composites – et de consommateurs finaux (fabricants de matériel roulant ferroviaire).

Le nouveau matériau, dont la mise sur le marché devrait se faire en 2023, constitue une innovation dans le domaine des polymères durables renforcés de fibres qui résistent à l’incendie. À côté de l’industrie ferroviaire, il doit également être utilisé pour l’agencement intérieur des voitures, pour les boitiers d’appareils électriques, pour les produits ménagers et pour la fabrication de meubles.