Valorisation de la ''partie lignine'' des effluents de prétraitement de biomasse forestière : élaboration et caractérisation d'agrocomposites

Upgrading lignin side-streams from forest biomass pretreatment : biocomposites development and characterization

• Auteur / Autrice : Amélie Tribot
• Direction : Philippe Michaud, Hélène de Baynast, Cédric Delattre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Gestion de l'Environnement
• Date : Soutenance le 03/07/2020
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Tatiana Budtova
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Adeline Gouilleux, Eric Record

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éco-matériaux

Lignine

Mots clés libres

Lignine

Composite bio-sourcé

Agrocomposite

Rafle de maïs

Biopolymère

Fibres naturelles

Lignin

Bio-based Composite

Agrocomposite

Corn Cob

Biopolymer

Natural Fibres

Résumé

La lignine est un polymère constitutif des parois pectocellulosiques des plantes vascularisées. Elle est un sous-produit, peu valorisé, de l’industrie papetière et du bioraffinage. En vue d’évaluer leur potentiel dans la filière des agrocomposites, des lignines commerciales (lignosulfonates de sodium et lignine Kraft) ont été mises en oeuvre en présence de rafle de maïs, une agro-ressource utilisée ici comme renfort fibreux naturel. Dans un premier temps, un procédé de compression-moulage a permis d’associer des lignosulfonates de sodium hydratés à des particules de rafles de maïs. L’impact de trois facteurs (granulométrie, taux de fibres et pression de compactage) sur les propriétés mécaniques en compression des agrocomposites a été mesuré. Bien que la réticulation des lignosulfonates de sodium par des laccases commerciales ait été mise en évidence en solution, l’ajout de ces enzymes aux formulations d’agrocomposites n’a pas amélioré leurs résistances mécaniques en flexion (valeur maximale de 5,3 MPa). Leurs propriétés d’isolation acoustique (indice d’affaiblissement acoustique de 60 dB) et leur conductivité thermique de 0,143 W.m - 1.K -1 permettent d’envisager des applications pour le secteur du bâtiment. Dans un second temps, neuf formulations de matériaux bio-sourcés ont été développées en associant par extrusion bi-vis puis injection plastique, une matrice polymère thermoplastique (acide polylactique et/ou poly(butylène succinate)), des lignines techniques (2,5 à 20 % (m/m) de lignine Kraft ou lignosulfonates de sodium) et/ou des particules de rafles de maïs (5 à 19 % (m/m)). L’ajout de lignine Kraft a permis d’augmenter la dureté des matériaux jusqu’à 50 % et de les rendre plus hydrophobes que l’acide polylactique. Néanmoins, les résistances mécaniques ont été diminuées (maximum 40 %) et les matériaux ont présenté des profils de rupture plus fragiles. En présence de rafles de maïs, le transfert des efforts de la matrice vers les fibres n’était pas optimal car des décohésions ont été détectées aux interfaces à la suite de sollicitations irréversibles en flexion. Ces matériaux bio-sourcés ont toutefois présenté des propriétés mécaniques et thermiques les rendant aptes à se substituer à des plastiques synthétiques tout en conférant une valeur ajoutée à des sous-produits d’industries agricole et forestière.

Lignin is a polymeric constituent of vascular plants’ pectocellulosic walls. It is a by-product, poorly upgraded from pulp and paper, and biorefinery industries. To evaluate their potential in agrocomposites field, commercial lignins (sodium lignosulfonates and Kraft lignin) were processed along with corn cob, an agro-industrial residue used hereby as a natural fibre. Firstly, a compression-moulding process allowed the combination of hydrated sodium lignosulfonates and corn cob particles. The impact of three factors (particle size, fibre content, and compacting pressure) on compressive mechanical properties was measured. Although sodium lignosulfonates cross-linking by commercial laccases was highlighted in solution, addition of such enzymes to agrocomposites formulations did not improve their flexural strength (maximum value of 5.3 MPa). The acoustic insulation properties of agrocomposites (sound transmission loss of 60 dB) and their thermal conductivity of 0.143 W.m - 1.K -1 may suggest applications in the building sector. Secondly, nine formulations of bio-based materials were developed by twin-screw extrusion, and then injection moulding, combining a bio-based thermoplastic polymer matrix (polylactic acid and/or poly(butylene succinate)) with technical lignins (2.5 to 20% (m/m) Kraft lignin or sodium lignosulfonates), and corn cob particles (5 to 19% (m/m)). The addition of Kraft lignin led to increased hardness of the materials up to 50%, and more hydrophobicity compared to polylactic acid. Nevertheless, their mechanical strengths decreased (by a maximum of 40%), and materials exhibited a more brittle fracture profile. In the presence of corn cob, transfer of forces from matrix to fibres was not ideal since de-bonding was detected at the interfaces under irreversible flexural stress. However, these bio-based materials exhibited mechanical, and thermal properties that made them suitable for synthetic plastics substitution while adding value to by-products of agricultural, and forest industries.