Fibre

La fibre ( du latin * fibra* ) est une substance naturelle ou artificielle dont la longueur est nettement supérieure à la largeur. Les fibres sont fréquemment utilisées dans la fabrication d'autres matériaux. Les matériaux d'ingénierie les plus résistants intègrent souvent des fibres, comme par exemple la fibre de carbone et le polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire .

Les fibres synthétiques peuvent souvent être produites à très bas prix et en grandes quantités par rapport aux fibres naturelles, mais pour les vêtements, les fibres naturelles présentent certains avantages, comme le confort, par rapport à leurs homologues synthétiques.

Les fibres naturelles se développent ou se présentent sous forme de fibres et comprennent celles produites par les plantes, les animaux et les processus géologiques. Elles peuvent être classées selon leur origine :

• Les fibres végétales sont généralement composées de cellulose , souvent associée à de la lignine : le coton , le chanvre , le jute , le lin , l’abaca , l’ananas , le ramie , le sisal , la bagasse et la banane en sont des exemples . Les fibres végétales sont utilisées dans la fabrication du papier et des textiles , et les fibres alimentaires constituent un élément important de l’alimentation humaine.
• La fibre de bois , contrairement à la fibre végétale, provient des arbres. Elle se présente sous différentes formes : pâte broyée, pâte d'écorce de dentelle , pâte thermomécanique (PTM), et pâtes kraft ou sulfite blanchies ou non blanchies. Les termes « kraft » et « sulfote » désignent le type de procédé de fabrication de la pâte utilisé pour éliminer la lignine qui lie la structure du bois, libérant ainsi les fibres pour la fabrication du papier et de produits dérivés du bois , tels que les panneaux de fibres .
• Les fibres animales sont principalement composées de protéines spécifiques. On peut citer comme exemples la soie du ver à soie , la soie d'araignée , les tendons , les boyaux de chat , la laine , la soie marine et les poils tels que le cachemire , le mohair et l'angora , ainsi que les fourrures comme la peau de mouton, de lapin, de vison, de renard, de castor, etc.
• Les fibres minérales comprennent le groupe de l'amiante . L'amiante est la seule fibre minérale longue naturelle . Six minéraux ont été classés comme « amiante », notamment le chrysotile ( de la famille des serpentines) et ceux appartenant à la famille des amphiboles : l'amosite , la crocidolite , la trémolite , l'anthophyllite et l'actinolite . La wollastonite et la palygorskite sont des minéraux courts, de forme fibreuse .
• Les fibres biologiques, également appelées protéines fibreuses ou filaments protéiques , sont principalement constituées de protéines biologiquement essentielles, dont les mutations ou autres anomalies génétiques peuvent entraîner des maladies graves . On peut citer comme exemples la famille des protéines de collagène , les tendons , les protéines musculaires comme l'actine , et bien d'autres, telles que la soie d'araignée , les tendons et les cheveux .

Les fibres artificielles ou chimiques sont des fibres dont la composition chimique, la structure et les propriétés sont considérablement modifiées lors du processus de fabrication. Dans le domaine de la mode, une fibre est un fil long et fin qui peut être tricoté ou tissé pour former un tissu. Les fibres artificielles comprennent les fibres régénérées et les fibres synthétiques.

Les fibres semi-synthétiques sont fabriquées à partir de matières premières naturellement composées de polymères à longue chaîne et ne sont modifiées et dégradées que partiellement par des procédés chimiques, contrairement aux fibres entièrement synthétiques telles que le nylon (polyamide) ou le dacron (polyester), synthétisées par le chimiste à partir de composés de faible masse moléculaire par des réactions de polymérisation (formation de chaînes). La plus ancienne fibre semi-synthétique est la rayonne , une fibre de cellulose régénérée . La plupart des fibres semi-synthétiques sont des fibres de cellulose régénérée.

Les fibres de cellulose sont une sous-catégorie de fibres artificielles, régénérées à partir de cellulose naturelle . Cette cellulose provient de diverses sources : rayonne issue de fibres de bois, fibres de bambou, Seacell à partir d’algues , etc. Lors de la production de ces fibres, la cellulose est réduite à une forme relativement pure, sous forme de masse visqueuse, puis extrudée à travers des filières pour former des fibres. De ce fait, le procédé de fabrication ne laisse que peu de traces de la matière première naturelle dans les produits finis.

Voici quelques exemples de ce type de fibre :

• rayonne
• Lyocell , une marque de rayonne
• Modal
• fibres de diacétate
• fibre de triacétate .

Historiquement, le diacétate et le triacétate de cellulose étaient classés sous le terme de rayonne, mais sont désormais considérés comme des matériaux distincts.

Les fibres synthétiques proviennent entièrement de matériaux synthétiques tels que les produits pétrochimiques , contrairement aux fibres artificielles dérivées de substances naturelles telles que la cellulose ou les protéines.

La classification des fibres dans les plastiques renforcés se divise en deux classes : (i) les fibres courtes, également appelées fibres discontinues, avec un rapport d'aspect général (défini comme le rapport de la longueur de la fibre au diamètre) compris entre 20 et 60, et (ii) les fibres longues, également appelées fibres continues, le rapport d'aspect général est compris entre 200 et 500.

Les fibres métalliques peuvent être étirées à partir de métaux ductiles tels que le cuivre, l'or ou l'argent et extrudées ou déposées à partir de métaux plus fragiles, tels que le nickel, l'aluminium ou le fer.

Les fibres de carbone sont souvent à base de polymères oxydés et carbonisés par pyrolyse comme le PAN , mais le produit final est du carbone presque pur.

Les fibres de carbure de silicium sont fabriquées à partir de polymères non hydrocarbonés , mais de polycarbosilanes , où environ 50 % des atomes de carbone sont remplacés par des atomes de silicium . La pyrolyse produit un carbure de silicium amorphe, contenant principalement d'autres éléments comme l'oxygène, le titane ou l'aluminium, mais présentant des propriétés mécaniques très similaires à celles des fibres de carbone.

La fibre de verre , fabriquée à partir d'un verre spécifique, et la fibre optique , fabriquée à partir de quartz naturel purifié , sont également des fibres artificielles issues de matières premières naturelles, la fibre de silice , fabriquée à partir de silicate de sodium (verre soluble) et la fibre de basalte, fabriquée à partir de basalte fondu.

Les fibres minérales peuvent être particulièrement résistantes car elles sont formées avec un faible nombre de défauts de surface ; l'amiante en est un exemple courant.

• Les fibres polymères constituent une sous-catégorie des fibres artificielles, fabriquées à partir de produits chimiques de synthèse (souvent issus de la pétrochimie ) plutôt que de matériaux naturels obtenus par un procédé purement physique. Ces fibres sont composées de :
  • nylon polyamide
  • Polyester PET ou PBT
  • phénol- formaldéhyde (PF)
  • fibre de polychlorure de vinyle (PVC) vinyon
  • fibres d'oléfines polyoléfines (PP et PE)
  • Les polyesters acryliques , notamment les fibres de polyester pur (PAN), sont utilisés pour fabriquer des fibres de carbone par calcination en milieu pauvre en oxygène. La fibre acrylique traditionnelle est plus souvent employée comme substitut synthétique à la laine. Les fibres de carbone et les fibres PF sont deux exemples de fibres à base de résine non thermoplastiques , contrairement à la plupart des autres fibres qui peuvent être fondues.
  • Les polyamides aromatiques (aramides) tels que le Twaron , le Kevlar et le Nomex se dégradent thermiquement à haute température et ne fondent pas. Ces fibres présentent une forte liaison entre les chaînes polymères.
  • polyéthylène (PE), éventuellement avec des chaînes extrêmement longues / HMPE (par exemple Dyneema ou Spectra).
  • On peut même utiliser des élastomères , par exemple le spandex, bien que les fibres d'uréthane commencent à remplacer la technologie du spandex.
  • fibre de polyuréthane
  • Élastoléfine
• Les fibres coextrudées sont constituées de deux polymères distincts, généralement disposés en âme et gaine ou côte à côte. Il existe des fibres revêtues, par exemple de nickel pour éliminer l'électricité statique, d'argent pour des propriétés antibactériennes et d'aluminium pour la déviation des ondes radiofréquences (RF) dans le cadre de la fabrication de paillettes radar . Ces paillettes sont en réalité une bobine de fil de verre continu revêtue d'aluminium. Un dispositif de découpe à grande vitesse, embarqué à bord d'un avion, la fragmente lors de son éjection afin de brouiller les signaux radar.

Inventées au Japon au début des années 1980, les microfibres sont également connues sous le nom de fibres microdenières. L'acrylique, le nylon, le polyester, le lyocell et la rayonne peuvent être produits sous forme de microfibres. En 1986, la société allemande Hoechst AG a commencé à produire des microfibres en Europe. Cette fibre a été commercialisée aux États-Unis en 1990 par DuPont.

Dans le domaine textile, les microfibres désignent des fibres de titre inférieur au denier (comme le polyester étiré à 0,5 denier). Le denier et le dtex sont deux unités de mesure du rendement des fibres, basées sur leur poids et leur longueur. Si la densité de la fibre est connue, on peut également déterminer son diamètre ; sinon, il est plus simple de mesurer les diamètres en micromètres. Dans le domaine des fibres techniques, les microfibres désignent des fibres ultrafines (verre ou thermoplastiques soufflés à l'état fondu ) souvent utilisées en filtration. Les fibres de conception plus récente comprennent des fibres extrudées qui se divisent en de multiples fibres plus fines. La plupart des fibres synthétiques ont une section transversale ronde, mais certaines formes spéciales peuvent être creuses, ovales, étoilées ou trilobées . Cette dernière forme offre des propriétés de réflexion optique supérieures. Les fibres textiles synthétiques sont souvent frisées pour donner du volume aux tissus tissés, non tissés ou tricotés. La surface des fibres peut également être mate ou brillante. Les surfaces mates réfléchissent davantage la lumière, tandis que les surfaces brillantes ont tendance à la transmettre et rendent la fibre plus transparente.

Les fibres très courtes et/ou irrégulières sont appelées fibrilles. La cellulose naturelle , comme le coton ou le kraft blanchi , présente de plus petites fibrilles qui font saillie à partir de la structure fibreuse principale.

Les fibres se divisent en fibres naturelles et fibres artificielles (synthétiques). Leurs propriétés influencent leurs performances dans de nombreuses applications. Les fibres synthétiques remplacent de plus en plus les matériaux conventionnels comme le verre et le bois dans diverses applications . En effet, les fibres artificielles peuvent être conçues chimiquement, physiquement et mécaniquement pour répondre à des exigences techniques spécifiques . Lors du choix d'un type de fibre, un fabricant doit trouver un équilibre entre ses propriétés et les exigences techniques des applications. Différentes fibres sont disponibles pour la fabrication. Voici les propriétés typiques de quelques fibres naturelles comparées à celles des fibres artificielles.

Les tableaux ci-dessus ne montrent que les propriétés typiques des fibres, en fait il existe d'autres propriétés auxquelles on pourrait se référer comme suit (de a à z) :

Résistance à l'arc électrique, biodégradabilité , coefficient de dilatation thermique linéaire , température de service continu, densité des plastiques , température de transition ductile / fragile , allongement à la rupture, allongement à la limite élastique, résistance au feu, flexibilité, résistance aux rayonnements gamma, brillance, température de transition vitreuse , dureté , température de fléchissement sous charge, retrait, rigidité , résistance à la traction , isolation thermique , ténacité , transparence , résistance aux UV, résistivité volumique , absorption d'eau, module de Young