Fire testing and mechanical properties of neat and elastomeric polylactic acid composites reinforced with raw and enzymatically treated hemp fibers

Antoine Gallos (1) , Océane Lannoy (1, 2) , Séverine Bellayer (2) , Gaelle Fontaine (2) , Serge Bourbigot (2, 3) , Florent Allais (1)

1 ABI - Agro-Biotechnologies Industrielles
2 UMET - Unité Matériaux et Transformations - UMR 8207
3 IUF - Institut universitaire de France

A new class of biobased composites with tailorable mechanical properties made of natural fibers, polylactic acid, and ferulic acid derivatives (FAD) is studied. FAD was used to develop composites with elastomeric properties like improved elongation at break and highly reversible deformation upon elongation. Composites were prepared using raw and enzymatically treated hemp fibers. The fibers were defibrillated due to the enzymatic treatment increasing their aspect ratio. The composites were characterized by their mechanical properties and their reaction to fire. No significant change in the dispersion of the fibers in the composites was reported. Homogenously dispersed crystallites of FAD were observed by scanning electron microscopy in the PLA matrix and at the interface between the PLA and the fibers, where they are suspected to increase the free volume in correlation with a decrease in mechanical properties following the increase in the aspect ratio of the fibers. FAD also degraded the reaction to fire of the material with an increase in 10% of the peak of Heat Release Rate (pHRR) in comparison to neat PLA. It also increased the charring residue up to 3 wt.%. A synergistic effect between FAD and the lignin increasing the charring residue is also reported.

Une nouvelle classe de composites biosourcés aux propriétés mécaniques modulables, composés de fibres naturelles, d'acide polylactique et de dérivés de l'acide férulique (FAD), est étudiée, de fibres naturelles, d'acide polylactique et de dérivés d'acide férulique (FAD). Le FAD a été utilisé pour développer des composites propriétés élastomériques telles qu'un allongement à la rupture amélioré et une déformation hautement réversible à la rupture et une déformation hautement réversible lors de l'allongement. Les composites ont été préparés à partir de fibres de chanvre brutes et traitées par voie enzymatique. Les fibres ont été défibrillées par le traitement enzymatique, ce qui a augmenté leur rapport d'aspect. Les composites ont été caractérisés par leurs propriétés mécaniques et leur réaction au feu. Non changement significatif dans la dispersion des fibres dans les composites n'a été rapporté. Des cristallites de FAD dispersées de manière homogène ont été observées par microscopie électronique à balayage dans la matrice PLA et à l'interface entre les deux matériaux. dans la matrice PLA et à l'interface entre le PLA et les fibres, où elles sont soupçonnées d'augmenter le volume libre en corrélation avec les fibres. d'augmenter le volume libre en corrélation avec une diminution des propriétés mécaniques suite à l'augmentation du rapport d'aspect des fibres. l'augmentation du rapport d'aspect des fibres. Les FAD ont également dégradé la réaction au feu du matériau. matériau, avec une augmentation de 10 % du pic du taux de dégagement de chaleur (pHRR) par rapport au PLA PUR. Il a également augmenté le résidu de carbonisation jusqu'à 3 % en poids. Un effet synergique entre le FAD et la lignine augmentant le résidu de carbonisation est également rapporté

Mots clés: Biocomposite; lignocellulosic fiber; polylactic acid; elastomer; mechanical testing; reaction to fire

Domaines: Mécanique des matériaux [physics.class-ph]

Antoine Gallos, Océane Lannoy, Séverine Bellayer, Gaelle Fontaine, Serge Bourbigot, et al.. Fire testing and mechanical properties of neat and elastomeric polylactic acid composites reinforced with raw and enzymatically treated hemp fibers. Green chemistry letters and reviews, 2023, 16 (1), ⟨10.1080/17518253.2022.2164472⟩. ⟨hal-04047315⟩