Développement de nouvelles colles à base de kératine extraite de plumes de canard, pour l'élaboration de matériaux composites.

Development of new adhesives based on keratin extracted from duck feathers for the production of composite materials.

• Auteur / Autrice : Nidal Raydan
• Direction : Bertrand Charrier, Eduardo Robles Barrios
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 25/04/2024
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (Pau)
• Jury : Président / Présidente : Giancarlo Cravotto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Charrier, Marie-Pierre Laborie, Alfonso Cornejo, Isabel Gouveia, Eduardo Robles
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giancarlo Cravotto, Marie-Pierre Laborie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Kératines

Canard

Matériaux hybrides

Adhésifs

Mots clés libres

Plumes de canard

Kératine

Matériaux composites

Adhésifs

Duck feathers

Keratin

Composite materials

Adhesives

Résumé

Ce doctorat vise à développer une nouvelle génération d'adhésifs écologiques à partir de kératine extraite de déchets de plumes. L'objectif est de répondre à deux problématiques majeures : la gestion durable des déchets de plumes de l'industrie avicole et le besoin d'alternatives adhésives durables dans le secteur des composites à base de bois.Extraction et optimisation de la kératineL'extraction de la kératine a été réalisée par sonochimie en milieux acide et alcalin. L'hydrolyse alcaline assistée par ultrasons s'est avérée être la méthode la plus efficace, surpassant l'hydrolyse alcaline thermique conventionnelle. Cette méthode offre une meilleure rentabilité et un impact environnemental réduit.Effets dépendants de la températureL'influence de la température sur l'hydrolyse alcaline assistée par ultrasons a été étudiée. Un changement significatif dans le mécanisme d'hydrolyse a été observé à 55°C, impactant la morphologie, les propriétés chimiques et thermiques de la kératine récupérée.Utilisation innovante du sonoréacteurL'utilisation d'un Cuphorn sonoreactor a permis d'améliorer l'intégrité structurelle de la cystine, un acide aminé crucial, grâce à une hydrolyse contrôlée. Cette technologie offre une distribution d'énergie homogène et un traitement doux pour optimiser la régénération des liaisons disulfure.Formulation adhésive et applicationsLe potentiel de la kératine comme adhésif à bois durable a été comparé aux adhésifs conventionnels à base de protéines. La kératine hydrolysée sans contrôle de température a montré des performances compétitives, répondant aux normes européennes de résistance au cisaillement sur bois de hêtre. Elle se présente comme une alternative prometteuse aux adhésifs d'origine alimentaire et à base de formaldéhyde.Études comparatives et tests de matériauxDes études comparatives sur les panneaux de particules et les panneaux de fibres à haute densité (HDF) liés à la kératine ont révélé des propriétés mécaniques et physiques supérieures pour la kératine hydrolysée à haute température. Ces propriétés surpassent celles des panneaux liés à l'urée-formaldéhyde (UF) et à d'autres liants à base de protéines, soulignant le potentiel de la kératine pour une meilleure durabilité des composites à base de bois.ConclusionCe doctorat explore l'utilisation de la kératine issue de déchets de plumes pour le développement d'adhésifs durables pour les composites à base de bois. Cette recherche contribue à la valorisation des déchets, à la science des matériaux durables et à l'avancement des technologies vertes dans l'industrie du bois composite. Elle offre une solution écologique pour l'utilisation des déchets de plumes et ouvre la voie à de nouveaux produits adhésifs respectueux de l'environnement pour de larges applications industrielles.

This Ph.D. thesis centers on developing a new generation of eco-friendly adhesives from keratin extracted from feather waste, targeting applications in wood-based composite materials such as particleboards and wood fiberboards. The motivation behind this research is twofold: addressing the environmental concerns associated with feather waste from the poultry industry and the need for sustainable adhesive alternatives in the wood composite sector.Extraction and Optimization of Keratin:The initial phase involved extracting keratin using sonochemistry in acidic and alkaline media, aiming to identify the most efficient extraction method. The optimal conditions for keratin extraction were determined through rigorous testing of various parameters, ensuring the process's repeatability and scalability for industrial applications. This stage underscored the effectiveness of ultrasound-alkaline hydrolysis as a superior method compared to conventional thermal alkaline hydrolysis, offering a sustainable, cost-effective solution with reduced operational costs and environmental impact.Temperature-Dependent Effects:A critical aspect of the research was studying the temperature-dependent effects of ultrasound-assisted alkaline hydrolysis on keratin recovery. The findings revealed a significant shift in the hydrolysis mechanism at a critical temperature of 55°C, which influenced the morphology, chemical, and thermal properties of the recovered keratin. Below this temperature, keratin fibers were produced, closely resembling the natural structure of feathers. In contrast, temperatures above 55°C led to the formation of keratin particles, notably microspheres, facilitating the reformation of disulfide bonds crucial for adhesive strength.Innovative Sonoreactor Use:The employment of a Cuphorn sonoreactor for keratin extraction represented an innovative approach, enhancing the structural integrity of cystine through controlled hydrolysis. This method provided homogeneous energy distribution and gentle processing conditions, showcasing an advanced strategy for preserving cystine content and optimizing disulfide bond regeneration.Adhesive Formulation and Applications:Keratin's potential as a sustainable wood adhesive was rigorously tested against conventional protein-based adhesives, including casein, soybean, and pea proteins. The comprehensive analysis encompassed yield, solid content, alkali, pH, viscosity, polarity, structural composition, and thermal stability. Keratin-based adhesives (hydrolyzed without temperature control) demonstrated competitive performance, meeting European standards for tensile shear strength on beech wood, and showed promise as a sustainable alternative to food-derived and formaldehyde-based adhesives.Comparative Studies and Material Testing:Further comparative studies on particleboards and high-density fibreboards (HDF) bonded with keratin underscored the superior mechanical and physical properties of boards produced with keratin hydrolysed at higher temperatures, attributed to stronger disulfide bridges. These properties were assessed against traditional urea-formaldehyde (UF) and other protein-based binders, highlighting keratin's potential in enhancing the environmental sustainability of wood-based composites.Conclusion:This Ph.D. research presents a comprehensive exploration into the utilization of keratin, a byproduct of feather waste, for the development of sustainable adhesives for wood composites. By innovating extraction methods, understanding temperature-dependent mechanisms, and applying keratin in adhesive formulations, this work contributes significantly to waste valorization, sustainable material science, and the advancement of green technologies in the wood composite industry. The outcomes not only offer a scalable solution for the utilization of feather waste but also pave the way for the development of environmentally friendly adhesive products with broad industrial applications.