Nouveaux isolants pour le batiment, à base de ouate de cellulose et additifs biosourcés

Development of novel building insulation materials, incorporating cellulose and biobased additives

• Auteur / Autrice : Pablo Lopez Hurtado
• Direction : Luc Rigal, Virginie Vandenbossche Maréchal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Agroressources
• Date : Soutenance le 08/09/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie Agro-industrielle (Toulouse ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Perrin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Virginie Vandenbossche Maréchal, Christophe Baley, Sofiane Amziane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Baley, Sofiane Amziane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Absorption

Produits biosourcés

Séchage

Habitations

Isolants cellulosiques

Mots clés libres

Cellulose

Isolation Thermique

Séchage

Additifs biosourcés

Absorption d'eau

Cellulose

Thermal Insulation

Drying

Biobased additives

Moisture sorption

Résumé

La ouate de cellulose utilisée pour l’isolation est fabriquée à partir de fibres de papier broyé, traitées avec des additifs minéraux agissant comme agents ignifuges et antifongiques. La conductivité thermique du matériau final est aux alentours de 0,04 W/m.K, ce qui est comparable à la laine de verre, avec l’intérêt d’être fabriqué à partir de matériaux recyclés, représentant un taux d’énergie grise beaucoup plus faible. Le mode de mise en oeuvre par voie humide de la ouate de cellulose a plusieurs avantages par rapport à la voie sèche. Le fait que les fibres de cellulose se rigidifient avec l’eau, empêche le tassement du matériau, qui peut engendrer des ponts thermiques dans l’enveloppe du bâtiment. Par contre, la durée de séchage peut être très longue et variable selon le dosage utilisé et les conditions ambiantes d’application. Ce projet de recherche vise à trouver l’additif idéal permettant d’accélérer le séchage tout en conservant une bonne cohésion du matériau et le maintien de ses propriétés isolantes. Deux types de ouate de cellulose utilisés en isolation ont été caractérisés. Ils ont montré des différences de composition chimique, granulométrie et morphologie. L’influence de leurs caractéristiques physiques telles que la rétention d’eau, les isothermes d’adsorption d’eau et les proportions d’eau libre et liée sur le séchage du matériau final a été mise en évidence. Du point de vue de la mise en oeuvre, il a été démontré que le dosage en eau avait un impact important sur les propriétés finales du matériau. La densité, la résistance en compression et la conductivité thermique augmentent avec le dosage en eau. Un minimum de 14 kPa pour le module de compression a été défini comme le seuil de résistance permettant d’éviter le tassement. Ces propriétés ont été comparées avec celles de la ouate de cellulose compactée à sec et les résultats ont montré la forte influence de la rigidification et de la fermeture des pores du matériau. Deux voies ont été envisagées pour résoudre le problème du temps de séchage : l’ajout d’additifs aux propriétés adhésives permettant de réduire la quantité d’eau introduite en renforçant la cohésion de l’isolant, et l’ajout d’additifs permettant de modifier la tension de surface pour faciliter le départ de l’eau. Les additifs biosourcés potentiels ont été caractérisés à différentes concentrations et classés selon leur viscosité et leur pouvoir collant. Malheureusement plusieurs additifs ont dû être rejeté car ils présentaient un couple « propriété adhésive/pompabilité » non adapté. Une gamme de tensioactifs a également été testée par rapport à leurs tensions de surface. Les formulations pompables ont étés caractérisées par rapport à leurs temps de séchage, résistance en compression et conductivité thermique. Les additifs qui ont montré des contributions positives sur le séchage sont les lignosulfonates et le tensioactif cationique CTAB. L’influence de ces deux additifs a ensuite été étudiée avec un modèle numérique à travers le logiciel WUFI en prenant en compte l’impact sur le séchage, la météo, le dosage liquide et l’épaisseur de l’isolant. Les conditions optimales ont été définies. Le lignosulfonate s’est avéré être l’additif le plus efficace. Une première évaluation de la performance des nouveaux isolants en termes de résistance au feu et à la moisissure a été réalisée et des indications pour la suite de l’étude ont été proposées.

Cellulose insulation is manufactured from recycled paper fibres, treated with mineral additives acting as flame retardants and antifungals. Its consistency is similar to cotton wool. The fibres are sold in bulk to be blown into the walls and attics. Its thermal conductivity is around 0.04 W/m.K, which is comparable to glass wool, but it is made with recycled materials and has much lower embodied energy levels. It can be either blown dry or sprayed with water. The wet spray method for cellulose insulation has several benefits compared to the dry process. Since the cellulose fibres become rigid after drying, it prevents the compaction of the material thus avoiding thermal bridges in the building envelope. However, the time to reach the dry state may be very long and variable depending on the dosage used and the environmental conditions of application. There are many bio-based additives that can contribute to the reduction of this period and improve the cohesion of the material. This research project aims to find the optimal additive for this application while retaining the favourable properties of the insulating material. Two cellulose types have been characterized with regards to the properties of the fibres to determine their performance with water. Both samples showed differences in chemical composition, grain size, and morphology. The values of water retention, water adsorption isotherms and the proportions of free and bound water have been factors which have shown an influence on the drying of the insulation. Density, compressive strength, and thermal conductivity increased with moisture dosage. A minimum of 14 kPa for the compression module was defined as the resistance threshold to avoid settling. These properties were compared with those of the cellulose insulation compacted to dryness and the results showed the strong influence of the stiffening and pore closing process upon drying, on these properties. Potential bio-based additives were classified and characterized with regards between concentration, viscosity, and adhesive strength. A relationship between these parameters was established. Most showed Newtonian behaviour at low concentrations, with some non- Newtonian concentrations having a pumpable viscosity. Unfortunately several additives which showed good adhesive properties were too viscous and vice versa. A range of surfactants were also considered. Sprayable formulations were characterized with respect to their drying time, compressive strength and thermal conductivity. Additives which have shown positive contributions drying are the lignosulfonate and the cationic surfactant CTAB. The influence of these additives on drying, with varying weather, liquid dosage and thickness of insulation was defined with a numerical model through the WUFI software. Optimal conditions in which the lignosulfonate additive is more effective have been defined. A first assessment of the performance of new formulation in terms of fire and mould was made and indications for the continuation of the study of the material were formalized.