Valorisation des anas de lin sous forme de nanocelluloses

Value-adding processes for flax shives as nanocellulose

• Auteur / Autrice : Jonathan Leboucher
• Direction : Joël Bréard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 28/11/2019
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire ondes et milieux complexes (Le Havre, Seine-Maritime)
• Jury : Président / Présidente : Alain Dufresne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Bazin, Antoine Barbulée, Benoit Duchemin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Cathala, Marie-Pierre Laborie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanocellulose

Lin

Mots clés libres

Lin

Anas

Cellulose

Nanocristaux

Hydrolyse

ATR-FTIR en température

Nanofibres

Lignine

Microscopie électronique

Liquides gonflants

Acide chlorhydrique

Nanocrystals

Linen

Résumé

Ce travail a porté sur la production de nanocristaux de cellulose (NCC) et de nanofibres de cellulose (NFC) à partir d’anas de lin.La production de NCC a été réalisée par hydrolyse acide avec de l’HCl gazeux après blanchiment. L’analyse des résultats de DRX et RMN montrent que la forme des cristallites reste inchangée après l’hydrolyse malgré une faible co-cristallisation le long des faces hydrophiles. La spectroscopie IR en température après un échange isotopique montre que le ratio de matériau marqué évolue avec la température de manière différente selon qu’il s’agit d’anas blanchis ou de NCC. Avant hydrolyse, des pores dans lesquels de l’eau est piégée sont mis en évidence. Cette nature de pore est absente des NCC. Lors d’un séchage, une partie des chaînes peut co-cristalliser et piéger une partie des groupements hydroxyles deutéres ; ce piégeage n’est plus mesurable une fois le matériau hydrolysé. Ces résultats montrent une meilleure stabilité des NCC lors de cycles de séchage/humidification.Afin de produire des NFC, une défibrillation mécanique a été réalisée sans délignification préalable et après un gonflement des anas dans des liquides gonflants. La caractérisation microscopique a démontré que la production de suspensions de NFC sans prétraitement supplémentaire des anas n’était pas viable. La DRX prouve néanmoins que les agents gonflants combinés à la défibrillation peuvent diminuer de manière importante la cristallinité du matériau. La spectroscopie IR a démontré que le matériau était séparé en deux phases à l’issue du traitement, et l’une des phases est significativement plus riche en lignine.

The present work investigates the potential of flax shives for the production of nanocelluloses. Two methods were investigated in order to produce cellulose nanocrystals (CNC) and cellulose nanofibers (CNF). The CNC production was conducted in two steps: a bleaching step and an exposure to an HCl vapour. Rietveld analysis of the diffractograms and 13C NMR proved that the shape of the crystallites wasn’t affected by the hydrolysis despite a slight co-crystallisation along the hydrophilic faces. FTIR spectroscopy demonstrated ample dependence of the ratio of deuterium-labelled sites with temperature. This ratio depends on the substrate topology. The « native » continuous microfibril topology implies pores that can trap water. In contrast, a discrete rod-like topology cannot trap water: the hydrophilic faces that were “stabilized” by co-crystallisation are unable to trap water. Drying hysteresis is usually observed after an isotopic re-exchange experiment: the labelled polymer chains co-crystallize and some of them become inaccessible to re-exchange. This hysteresis wasn’t observed after hydrolysis. The production of CNF was performed with an ultrafine grinder after swelling. Four swelling agents were selected after an initial screening involving more than 40 different liquids. Optical microscopy and SEM demonstrated the intrinsic difficulty of producing CNF from such a lignin-rich substrate without any pre-treatment. The combination of ultrafine grinding and swelling was however capable of reducing the sample crystallinity to a large extent. FTIR demonstrated that a lignin-rich phase could be produced using this mechanical process.