Production de cellulose nanofibrillée et de nanocomposites par extrusion de pâtes de cellulose à haute teneur en solide

Production of nanofibrillated cellulose and nanocomposites byextrusion of cellulose pulp with high solid content

• Auteur / Autrice : Khadija Trigui
• Direction : Albert Magnin, Sami Boufi, Jean-Luc Putaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance le 22/09/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Université de Sfax. Faculté des sciences
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Mohamed Naceur Belgacem
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Le Moigne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hélène Angellier, Hatem Majdoub

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extrusion (mécanique)

Cellulose

Nanofibres

Mots clés libres

Cellulose

Nanofibres de cellulose

Nanocomposites

Extrusion

Nanofibers of cellulose

Nanocomposites

Extrusion

Cellulose

Résumé

Ce travail de thèse avait deux objectifs : premièrement, produire des suspensions à haut extrait sec de nanofibrilles de cellulose (NFC) à partir d'une pâte cellulosique industrielle en utilisant un procédé d'extrusion à double vis (TSE), et, deuxièmement, extruder ces fibres en présence d'un polymère hydrophile, l'alcool polyvinylique (PVOH). Afin de comprendre comment un prétraitement chimique influençait l'efficacité de la désintégration des fibres en nanofibrilles de cellulose durant l'extrusion, nous avons tout d'abord préparé des fibres avec différents taux de carboxyles (de 600 à 1300 μmol/g) par oxydation TEMPO ou carboxyméthylation. Puis, en fixant la teneur en carboxyles à 350 μmol/g, nous avons extrudé les fibres prétraitées avec l'oxydation TEMPO en présence de PVOH. Ce polymère hydrophile a facilité la nanofibrillation et permis de produire des nanocomposites prêts à l'emploi contenant une fraction élevée de NFC. Nous avons démontré l'intérêt de l'extrusion des fibres en présence de PVOH en élaborant des films minces de nanocomposites contenant différentes proportions de NFC et de PVOH. Par ailleurs, nous avons préparé des films composites PVOH/NFC en utilisant des fibres prétraitées par oxydation periodate. Ces films présentent de bonnes propriétés barrières à l'eau et à l'oxygène, ainsi qu'une résistance mécanique supérieure à celle des films plastiques conventionnels ou du papier cellulosique. Nos résultats contribuent à l'amélioration des prétraitements et des procédés de production de NFC, ainsi qu'au développement de composites PVOH/NFC contenant une proportion élevée de NFC, en vue de leur utilisation dans des applications industrielles.

This thesis had two objectives: firstly, to produce high solid content suspensions of cellulose nanofibrils (NFC) from industrial cellulose pulp using a twin-screw extrusion (TSE) process, and secondly, to extrude these fibers in the presence of a hydrophilic polymer, poly(vinyl alcohol) (PVOH). To understand how a chemical pretreatment influenced the efficiency of fiber disintegration into cellulose nanofibrils during extrusion, we first prepared fibers with different carboxyl degrees (from 600 to 1300 μmol/g) by TEMPO oxidation or carboxymethylation. Then, setting the carboxyl content at 350 μmol/g, we extruded the fibers pretreated by TEMPO oxidation in the presence of PVOH. This hydrophilic polymer facilitated nanofibrillation and enabled us to produce ready-to-use nanocomposites containing a high fraction of NFCs. We demonstrated the benefits of fiber extrusion in the presence of PVOH by making thin films of nanocomposites containing different proportions of NFC and PVOH. We also prepared PVOH/NFC composite films using fibers pretreated by periodate oxidation. These films exhibit good water and oxygen barrier properties, as well as higher mechanical strength than conventional plastic films or cellulose papers. Our results contribute to the improvement ofNFC pretreatments and production processes, as well as to the development of PVOH/NFCcomposites containing a high content of NFC, for use in industrial applications.