Solvants pariétaux et aptitude à la transformation des fibres de chanvre

Cell-wall solvents and aptitude to transformation of hemp fibers

• Auteur / Autrice : Rahime Bag
• Direction : Bernard Kurek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et science des matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Reims

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrolyse

Lignine

Hémicellulose

Chanvre

Mots clés libres

Chènevotte, Extractibles, Fracture, Mobilité, Bois

Résumé

La transformation des polymères et leur caractérisation dépendent fortement des conditions dans lesquels ils sont manipulés. Dans les plantes, qui sont des matériaux composites naturels, la caractérisation de chaque nature de composé s’avère nécessaire et délicate pour la compréhension de leurs propriétés physiques et mécaniques. Celles ci sont généralement décrites par l’état de chaque polymère dans le composite. Ce travail de recherche a pour modèle d’étude un matériau naturel, le bois de chanvre ou chènevotte, qui est issu d’un défibrage de la tige de chanvre et qui représente 70% de la plante. A l��heure actuelle, sa production en France représente 18 000 t/an et est encore insuffisamment valorisée malgré des caractéristiques intéressantes. Ce bois est composée majoritairement de cellulose (42%), de lignine (20%) et d’hémicelluloses (25%), mais également d’environ 5 % de composés dits extractibles. Dans le domaine du bâtiment émerge avec le béton de chanvre un débouché prometteur, qui rencontre néanmoins des limitations ayant pour origines un manque de maitrise de la chènevotte. L’apport de connaissances fondamentales sur ce substrat permettra d’en lever certaines et d’envisager de nouvelles applications comme dans les matériaux composites à base de polymères synthétiques. Des études sur le peuplier ont souligné l’importance de pré-traitements de la plante qui supposait un rôle de plastification tenue par les extractibles dans les étapes de transformation aval du bois. Cette thèse a ambitionné de vérifier cette hypothèse sur la chènevotte. Pour clarifier le rôle des extractibles dans la paroi cellulaire, nous les avons quantifié et partiellement qualifié après extraction sélective par affinité de solvant et en fonction d’énergie thermique. L’impact de ces traitements sur les propriétés de relaxations des polymères amorphes pariétaux a ensuite été réalisé par des analyses thermiques (DMA-lignine et DEA-hémicelluloses). Les conséquences sur le mode de rupture des substrats de chènevotte ont ensuite été étudiées. Et à partir des caractéristiques en micro- et macromécaniques, nous avons identifié des corrélations entre traitement (solvants) et réponses associées (biochimie des extractibles, comportements viscoélastique et mécanique). Un dernier axe de la thèse est dédié à l’imprégnation douce à l’acide chlorhydrique à l’ambiante et pH 2. Le retrait des extractibles avec des extractions simples influe sur la mobilité de la phase amorphe de la paroi végétale mais ce changement n’altère pas considérablement le mode de rupture des buchettes de bois. Cependant lorsque l’ultra-structure de la phase organisée (cellulose) est modifiée par l’acide (hydrolyse), le matériau est fragilisé et devient plus cassant. L’existence de néo-défaut chimique au sein du matériau semble masquer l’impact des extractibles sur le mode de rupture. De plus, un lien statistiquement établit entre la lignine extraite, l’énergie de rupture et la mobilité de ses chaines apparait quand celle-ci est extraite en quantité suffisante

Polymer processing and characterization depend heavily on conditions in which they are handled. In plants, which are natural composite materials, the characterization of each type of compound is necessary and critical for the understanding of their physical and mechanical properties. These are usually described by the state of each polymer in the composite. This research is to study a model of natural material, woody hemp core or chenevotte that comes from a transformation process of the hemp stem and represents 70% of the plant. Currently, production in France is 18 000 t/year and is still insufficiently valued in spite of interesting features. This wood is mainly composed of cellulose (42%), lignin (20%) and hemicelluloses (25%), but also about 5% of compounds known as extractives. In the emerging field of building, promising and concrete composite application with cement matrix exist but there are still limitations arising out of a lack of mastery on woody hemp core. The contribution of fundamental knowledge on the substrate enables to remove some and to consider new applications such as in composite materials based on synthetic polymers. Studies on poplar stressed the importance of pretreatment plant that involved a plasticizing role held by extracting steps in downstream processing of wood. This thesis has aspired to verify this hypothesis on woody hemp core. To clarify the role of extractives in the cell wall, we have partially characterized and quantified after selective solvent and affinity extraction based on thermal energy. The impact of these treatments on the relaxation properties of amorphous cell wall polymers was then performed by thermal analysis (DMA-lignin and DEA-hemicelluloses). The consequences of the failure mode of substrates were then studied. And based on the characteristics of micro-and macromechanical, we have found correlations between treatment (solvent) and associated responses (extractives biochemistry, viscoelastic and mechanical behaviors). A final focus of the thesis is dedicated to the mild impregnation with hydrochloric acid at room temperature and pH 2. The removal of entities with simple extractions affects the mobility of the amorphous phase of the plant cell wall but this change does not alter significantly the failure mode of sticks of wood. However, when the ultra-structure of the organized phase (cellulose) is amended by acid (hydrolysis), the material becomes more fragile and brittle. The existence of neo-chemical defect in the material seems to mask the impact of extractives on the failure mode. In addition, a statistically established link appears between the extracted lignin, the fracture energy and the mobility of their chains when lignin is removed in sufficient quantity