Caractérisation chimique et structurale de composites époxy à base de ramie renforcés par biochar d’écales de noix de macadamia

Transformer les déchets agricoles en matériaux résistants

Les produits modernes, des voitures aux panneaux de construction, exigent des matériaux à la fois résistants et respectueux de l’environnement. Cette étude explore une manière ingénieuse de transformer deux sous‑produits agricoles — les fibres de ramie et les coques de noix de macadamia mises au rebut — en un matériau composite léger susceptible de remplacer certains plastiques d’origine pétrochimique et éléments en fibre de verre. En transformant les coques en une poudre de carbone fine appelée biochar et en la mélangeant aux fibres végétales et à une résine époxy, les chercheurs montrent comment les déchets agricoles peuvent devenir des composants robustes et durables pour l’ingénierie verte de demain.

Pourquoi les fibres végétales et les coques comptent

Les composites traditionnels, tels que ceux renforcés par des fibres de verre ou de carbone, offrent d’excellentes performances mécaniques mais nécessitent beaucoup d’énergie pour leur fabrication et sont difficiles à recycler. À l’inverse, les fibres végétales sont renouvelables, plus légères et peuvent réduire l’empreinte environnementale des produits manufacturés. La ramie, une plante à fibres largement cultivée en Asie, est particulièrement attractive car ses fibres sont naturellement fortes et rigides. Parallèlement, l’essor de la filière macadamia génère d’importantes quantités de coques dures qui ont généralement peu de valeur. Ces coques sont riches en carbone et, lorsqu’elles sont chauffées en absence d’oxygène, peuvent être converties en biochar — une matière poreuse, proche du charbon, susceptible d’agir comme de petites particules renforçantes au sein des plastiques.

De la coque au biochar à forte surface spécifique

L’équipe s’est d’abord concentrée sur la transformation des coques de macadamia en charge utile. Ils ont nettoyé et séché les coques, puis les ont chauffées dans un four pauvre en oxygène à environ 350 °C. Ce procédé, appelé pyrolyse, élimine les fractions volatiles de la biomasse et laisse un résidu riche en carbone. Après broyage par billes et tamisage, la poudre obtenue comprenait des particules fines de quelques micromètres seulement, présentant une surface rugueuse et fissurée pleine de pores. Des analyses avancées ont montré que ce biochar possède une grande surface interne et une structure carbonée partiellement ordonnée. Ces caractéristiques offrent de nombreux points de contact susceptibles d’accrocher la résine et les fibres environnantes, ainsi qu’une stabilité thermique suffisante pour supporter les températures élevées impliquées dans la polymérisation de l’époxy.

Fabrication du composite vert

Ensuite, les chercheurs ont combiné trois ingrédients : fibres de ramie traitées, résine époxy et différentes quantités de biochar de macadamia. Ils ont maintenu la teneur totale en ramie à 40 % en masse et ont fait varier le biochar entre 1, 3 et 5 %, en désignant les échantillons MR1, MR3 et MR5. Le biochar a d’abord été mélangé et dispersé par ultrason dans la résine liquide pour aider à répartir les particules de manière homogène. Puis la résine a été coulée sur des faisceaux alignés de fibres de ramie dans un moule, pressée et durcie. Les panneaux plats obtenus ont été découpés en éprouvettes normalisées. L’équipe a ensuite mesuré la résistance en traction et en flexion, la capacité d’absorption aux chocs, la dureté de surface et le comportement face à la chaleur et à l’eau.

Trouver le juste équilibre pour la résistance

Le résultat le plus marquant fut le composite contenant 3 % de biochar (MR3). Par rapport à la version à 1 %, MR3 présentait une résistance à la traction supérieure d’environ un tiers, une résistance en flexion supérieure d’environ un cinquième et une résistance aux chocs augmentée d’environ la moitié. Les images microscopiques expliquent ce phénomène : les particules de biochar dans MR3 étaient bien réparties autour des fibres de ramie, comblant les vides microscopiques et créant une interface rugueuse et emboîtée. Cela a permis une meilleure répartition des contraintes entre fibres et résine et a forcé les fissures à se tordre et se ramifier plutôt qu’à traverser le matériau en ligne droite. À 5 % de biochar, cependant, les particules commençaient à s’agglomérer. Ces amas créaient des points faibles et de petites vides qui réduisaient légèrement la résistance et la ténacité malgré une teneur en charge plus élevée.

Chaleur, eau et durabilité à long terme

Outre les essais de résistance, l’équipe a étudié la réaction des composites à la chaleur et à l’humidité — deux défis majeurs en conditions réelles. L’analyse thermique a montré que MR3 résistait mieux à la décomposition à des températures plus élevées et laissait davantage de char protecteur que les autres échantillons, ce qui indique une meilleure stabilité en environnement chaud. Les tests d’immersion ont révélé que MR3 absorbait le moins d’humidité, suggérant que le biochar peut aider à bloquer les voies d’entrée de l’eau le long des fibres végétales. Même après immersion et séchage, MR3 conservait plus de 95 % de sa résistance initiale en traction et en flexion et presque toute sa résistance aux chocs, ce qui indique une bonne durabilité en conditions humides ou mouillées.

Ce que cela signifie pour les produits du quotidien

Concrètement, ce travail montre qu’il existe une quantité « juste suffisante » de biochar d’écales qui transforme les composites ramie‑époxy en matériaux plus résistants, plus tenaces et plus résistants à la chaleur sans compromettre la légèreté. À environ 3 % de biochar, le composite fonctionne mieux que pour des charges plus faibles ou plus élevées parce que les particules sont bien dispersées et fortement liées aux fibres et à la résine. En valorisant des flux de déchets agricoles, de tels matériaux pourraient un jour être utilisés dans des pièces automobiles légères, des panneaux de construction ou d’autres composants où la réduction du poids et de l’impact environnemental est importante.

Citation: Palaniappan, M., Kumar, P.M., Sivanantham, G. et al. Chemical and structural characterization of ramie-based epoxy composites reinforced with macadamia nut shell biochar. Sci Rep 16, 9374 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39764-1

Mots-clés: composites au biochar, matériaux à fibres naturelles, réutilisation des déchets agricoles, polymères durables, structures légères