Comportement hygro-thermique des isolants bio-sourcés : de la métrologie sans effets de bord aux effets de porosité, d’orientation de fibres et d’humidité

Les isolants biosourcés présentent une grande diversité de structures et de procédés, ce qui entraîne une forte dispersion des conductivités publiées et limite la compréhension de leurs propriétés thermiques. Ce travail propose une analyse systématique des mécanismes gouvernant la conductivité de réseaux fibreux poreux, en s’appuyant sur des matériaux modèles en cellulose ainsi que sur des fibres réelles (chanvre, kératine). Dans un premier volet, nous réévaluons la méthode par fluxmètre HFM et montrons que les pertes latérales peuvent fortement biaiser les mesures sur matériaux très isolants. L’analyse conjointe des flux bruts, de la calibration NIST 1450E et de simulations numériques met en évidence l’importance de l’épaisseur, de la température moyenne et de l’anisotropie interne. En utilisant des échantillons minces (0,5-1 cm), il est possible d’éliminer la plupart des effets de bord et d’obtenir la conductivité réelle du matériau. Le second volet étudie l’influence de la porosité et de l’orientation des fibres. Des réseaux comprimés de cellulose (epsilon ~= 0,4-0,94) montrent deux branches distinctes : une configuration axiale à conductivité faible, et une configuration perpendiculaire jusqu’à trois fois plus conductrice. Un modèle géométrique de compression, combiné à un modèle de connectivité inter-phase, relie ces évolutions à l’alignement progressif des fibres et permet d’estimer une conductivité intrinsèque du solide d’environ 0,4 W·m−1·K−1. L’application du même cadre au chanvre et aux fibres de kératine confirme que porosité et orientation constituent les déterminants majeurs des isolants fibreux. Le troisième volet analyse l’effet de l’humidité. À partir d’échantillons secs et saturés, puis suivis durant le séchage, nous montrons que l’eau liée modifie la conductivité principalement via la restructuration de la partition solide/air. En définissant une porosité réellement dépendante de l’humidité, les trajectoires lambda-epsilon des échantillons s’alignent sur une loi maître, et l’évolution de lambda peut être prédite par une interpolation simple entre les états sec et saturé. L’effet hygrométrique est fort en configuration axiale mais quasi nul en configuration perpendiculaire. En réunissant ces trois approches, ce travail établit un cadre unifié reliant porosité, orientation et humidité à la conductivité thermique, et répond directement au manque d’études structure-propriété identifiées dans la littérature. Il fournit enfin des bases qui ouvrent la voie au développement de modèles hygro-thermiques prédictifs pour la conception et l’optimisation de matériaux isolants de nouvelle génération, mieux maîtrisés et mieux adaptés aux enjeux de la transition énergétique.

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