Application des nanocristaux de cellulose : propriétés rhéologiques, mécaniques et thermiques des matériaux nouveaux
Auteur / Autrice : | Marcos Mariano |
Direction : | Alain Dufresne, Nadia El Kissi |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie |
Date : | Soutenance le 22/09/2016 |
Etablissement(s) : | Université Grenoble Alpes (ComUE) |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés pour la bioraffinerie, les matériaux bio-sourcés et l’impression fonctionnelle (Grenoble, Isère, France ; 1995-....) - Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble) |
Jury : | Président / Présidente : Yves Grohens |
Examinateurs / Examinatrices : Alain Dufresne | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Carrot, Jannick Duchet-Rumeau |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Mots clés libres
Résumé
Malgré ces propriétés intéressantes et l'abondance du matériau brut dont on peut les extraire, les applications des CNC pour des produits commerciaux restent limitées en raison des limitations liées à l’utilisation de procédés industriels. En effet, les matériaux produits à base de CNC sont généralement préparés par la technique de coulée/évaporation. Ce procédé permet de bien contrôler les propriétés comme l’humidité, la dispersion des particules et aussi d’assurer la formation d'un réseau tridimensionnel des particules. Cependant, ce procédé n'est pas facilement transposable à l'industrie. Une alternative à la technique de coulée/évaporation serait l'application du procédé d'extrusion et/ou de moulage par injection. Ces n'utilisent pas de solvants et peuvent donc être considérés comme des procédés plus verts que la coulée/évaporation. Il y a cependant des points négatifs. Ils sont essentiellement associés à des problèmes de dispersion, de dégradation thermique et de propriétés mécaniques plus faibles. Dans ce contexte, la thèse développée ici présente quelques études qui cherchent à combler quelque unes des lacunes décrites ci-dessus.Le Chapitre 1 présente une revue de la littérature et des concepts de base utilisés pendant la thèse. Dans le Chapitre 2, les particules de caoutchouc présentes dans la suspension de latex ont été oxydées en surface par addition de KMnO4 en conditions contrôlées. L’objectif était d’induire l’oxydation des doubles liaisons présentes dans la structure du caoutchouc naturel (NR). Les essais de traction cycliques ont montré que pour ces échantillons, les interactions interfaciales entre les nanoparticules et le polymère sont plus fortes. Cependant, quand le taux d’oxydation augmente, l’hydrophilie des chaînes de caoutchouc est observable.Dans le Chapitre 3, des composites à base de polycarbonate (PC) et de CNC ont été obtenus par la technique d’extrusion. Ce procédé implique de hautes températures (200oC) et la dégradation thermique devient alors un problème pendant la préparation des matériaux. Pour limiter cette dégradation, un mélange maître (masterbatch) contenant environ 30% de CNC a été produit et utilisé comme base pour la préparation des films. La dispersion des CNC entre les chaînes de PC permet probablement d’éviter la dégradation en raison de la protection physique des nanoparticules. Malheureusement, la présence des CNC semble réduire la stabilité thermique du polymère et accélérer sa dépolymérisation. Le chapitre 4 est dédié aux systèmes à base de polybutyrate-adipate-téréphtalate (PBAT) et de nanocristaux de cellulose. Le chapitre est divisé en deux parties. La première partie est focalisée sur l’influence de la cristallisation que les nanocristaux peuvent induire sur la matrice polymère après le processus d’extrusion. Trois sources différentes de CNC ont été choisies pour permettre l’obtention de nanoparticules avec différents facteurs de forme L/d. Des nanocomposites ont été préparés par extrusion en utilisant un taux de particules correspondant au seuil de percolation. Cela a créé une sorte de compétition entre la taille de la particule et sa fraction volumique. Dans cette étude, les nanocristaux avec plus grand rapport longueur/diamètre et sont, également, responsables de la cristallisation la plus significative.Dans la deuxième partie, des nanocomposites ont également été préparés par extrusion/injection puis caractérisés en termes d’organisation structurale. Les résultats de SAOS ont montré un changement de viscosité et de la valeur de G’, ainsi que dans la pente de la courbe G’ x ω, suggérant une modification de la structure des particules après conditionnement. Grâce à les tests de rheologie 2D, il a été possible d’observer une modification de la structure des particules qui suggère une plus grande dispersion. Cependant, il est clair que les particules ne sont pas complètement réorganisées sous forme de réseau 3D.