Elaboration d'éco-matériaux innovants à base de polymères végétaux et agro-sourcés

par Haris Brevet

Projet de thèse en Sciences pour l'Ingénieur Génie des Procédés-25DS10

Sous la direction de Adeline Goullieux et de Emmanuel Petit laignel.

Thèses en préparation à Amiens , dans le cadre de École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens) , en partenariat avec Eco-procédés, optimisation et aide à la décision (Amiens) (laboratoire) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Les agro-matériaux développés pour l'habitat, le transport et l'emballage présentent plusieurs avantages comme la réduction de l'impact sur l'environnement, la préservation de ressources fossiles mais aussi l'apport d'une valeur ajoutée à des coproduits, peu ou mal valorisés. Ils ont comme point commun leur capacité d'isolation thermique, voire phonique, liée à leur structure légère. Dans le domaine de la construction, il existe deux voies permettant d'obtenir des matériaux légers, donc isolants : créer une structure poreuse ou utiliser des charges légères. Un ajout de protéines au sein d'une matrice cimentaire permet d'améliorer sa maniabilité [1] et d'augmenter la porosité du composite [2]. Des granulats végétaux peuvent être utilisés dans l'élaboration de composites lignocellolusiques légers. Ces derniers ont fait l'objet de nombreuses études afin d'optimiser la compatibilité entre le ciment et le végétal [3-5], et par voie de conséquence, leurs propriétés physiques. De par leurs résistance mécanique et conductivité thermique, ces composites sont classés comme matériaux d'isolation. Les composites à matrice organique sont, quant à eux, très présents dans l'habitat, le transport et l'emballage sous forme de panneaux renforcés par des fibres ou chargés par des particules. Les fibres et les particules sont le plus souvent d'origine végétale. Afin de préserver la santé et l'environnement, des études sont conduites pour remplacer les matrices pétro-sourcées par des matrices agro-sourcées et éviter l'utilisation d'agents de greffage et de plastifiants. Dans cette voie les bio-polymères polysaccharidiques ou protéiques ont toute leur place. L'objectif du projet doctoral est le développement d'éco-matériaux innovants à matrice organique et minérale mettant en oeuvre des polymères issus de ressources oléagineuses des Hauts de France. Une étude préliminaire menée dans le cadre d'un stage de Master 2 a permis d'étudier le comportement vis à vis de l'eau de tourteaux et de mucilages de différentes variétés de lin. Chez certaines espèces de plantes, les cellules épidermiques du tégument sont capables d'accumuler des polysaccharides lors du développement de la graine [6]. Lorsque la graine est imbibée, ces polysaccharides diffusent et la graine est alors recouverte de mucilage. Selon le cultivar ainsi que le protocole d'extraction mis en œuvre [10], le mucilage de lin présente des variations importantes de composition en polysaccharides et protéines [7-8] impactant leurs propriétés physico-chimiques [9]. Il existe peu de travaux relatant l'utilisation de mucilages et de tourteaux dans l'élaboration de matériaux. Au Togo le mucilage de plantes tropicales a été utilisé comme matrice en association avec des particules ligneuses [11] pour former des panneaux de particules. En France des fibres de lin non tissées ont renforcé un biocomposite à base de mucilage de lin avec [10] ou sans agent de liaison et plastifiant [12]. Le tourteau de lin a été incorporé comme charge au sein d'une matrice PLA [13] et celui de tournesol traité par extrusion bivis avant une injection moulage [14]. Concernant les matrices cimentaires, le mucilage de cactus a été utilisé en tant qu'adjuvant hydrofuge de masse et pouvant modifier la viscosité à l'état frais [15-16]. La graine de lin est également une source naturelle de composés phénoliques, y compris des phénylpropanoïdes, des lignanes, des acides phénoliques, des flavonoïdes et des tanins. Ces composés sont généralement associés aux polysaccharides solubles et peuvent être co-extraits pendant la préparation du mucilage. Ces composés facilement quantifiables par la méthode Folin-Ciocalteu, procurent une activité anti-oxydante aux mucilages [17]. Dans le domaine de la modification des propriétés physico-chimiques de polysaccharides, nous avons récemment initié une collaboration avec un groupe japonais de l'université d'Osaka dans le domaine des matériaux biocompatibles afin de réaliser des tissus fonctionnels par impression 3D de polysaccharides modifiés (PHC SAKURA BIOSCAPTISS). Afin de maintenir la structure tridimensionnelle, un procédé de gélification in situ a été développé à base de la peroxydase de raifort (HRP) [18]. La réticulation est obtenue par l'intermédiaire de groupements fonctionnels de type phénoliques par la réaction enzymatique avec la HRP (cf fichier pdf joint: Figure 1). Les composés phénoliques déjà présents dans le mucilage apportent les groupes fonctionnels nécessaires à la gélification par réaction enzymatique avec la HRP et pourraient présenter un intérêt dans la conception de composites à matrice organique en renforçant la structure tridimensionnelle du composite avant et après thermo-compression. De même le mucilage de lin pourrait être testés dans le domaine des matériaux biocompatibles. La première partie du travail consistera d'une part à caractériser sur les plans biochimique et physico-chimique les deux types de matières premières issues de différentes espèces de graines oléagineuses [19-20] et, d'autre part à modifier les mucilages par gélification enzymatique. L'obtention des mucilages demandera une étape d'extraction dont les paramètres pourront être optimisés. La seconde partie consistera d'une part en la formulation des éco-matériaux à matrice organique et minérale où le taux d'incorporation, la granulométrie et le procédé de mise en forme feront partie des paramètres à prendre en compte et où une approche par plan d'expérience sera appliquée ; et d'autre part en la détermination des propriétés mécaniques, thermiques et hydriques des éco-matériaux élaborés, ainsi que de leur comportement au vieillissement. La dernière partie visera à comprendre les interactions possibles matières premières/procédé/éco-matériau afin d'optimiser les caractéristiques des éco-matériaux en fonction de l'application visée. Le recours aux méthodes d'aide à la décision et d'apprentissage-machine pourra être envisagé lors de cette partie.

  • Titre traduit

    Development of innovative eco-materials based on plant and agro-sourced polymers


  • Résumé

    Agro-materials developed for housing, transport and packaging have several advantages, such as reducing the impact on the environment, preserving fossil resources but also upgrading low-value by-products. Their common characteristic is their ability to thermal, even sound, insulating related to their light structure. In the construction sector, there are two ways to obtain lightweight insulating materials: create a porous structure or use lightweight aggregates. Adding protein to a cement matrix improves workability [1] and increase composite porosity [2]. To elaborate lightweight lignocellulosic composites, plant aggregates can be used. In order to optimize compatibility between plant and cement and consequently composites physical properties, many studies have been carried out [3-5]. Due to their mechanical strength and thermal conductivity, these composites are classified as insulation materials. Organic matrix composites are very present in habitat, transport and packaging in the form of fiber-reinforced panels or charged with particles. Fibers and particles are most often plant-based. In order to preserve health and the environment, studies are conducted to replace petro-sourced matrix by agro-sourced matrix and to avoid the use of grafting agents and plasticizers. In this way, polysaccharide or protein bio-polymers have their place. The objective of the doctoral project is the development of innovative eco-materials with organic and mineral matrix implementing polymers from oil resources in the Hauts de France. As part of a Master 2 course a preliminary study was used to study the behaviour towards water of cakes and mucilages of different linseed cultivars. In some plant species, epidermal cells of the seed integument are able to accumulate polysaccharides during seed development [6]. In contact with water, the polysaccharides diffuse leading to seeds covered with mucilages. According to cultivar and extraction protocol [10] linseed mucilage exhibits significant variations of composition in polysaccharides and proteins contents [7-8]. Theses variations have a direct impact on the physic-chemical properties [9]. There is little research concerning cake and mucilage use for elaborating materials. In Togo mucilage of tropical plants was used as matrix in association with ligneous particles to obtain particleboards [11]. In France non-woven flax fibres material was chosen as reinforcement and mucilage polysaccharides, extracted from linseeds, were used as a matrix with [10] or without plasticizer and crosslinking agent [12]. Linseed cake was incorporated as filler in a PLA matrix [13]. Sunflower cake was undergone a twin-screw extrusion before injection moulding [14]. With regard to cement matrix cactus mucilage was used as waterproofing and viscosity-enhancing admixture [15-16]. Linseed is a natural source of phenolic compounds including phenylpropanoids, lignans, phenolic acids, flavonoids and tannins. These compounds are usually associated with soluble polysaccharides and can be co-extracted during mucilage preparation. They are readily quantifiable by Folin-Ciocalteu method and provide an antioxidant activity to mucilages [17]. Relating to physicochemical properties modification of polysaccharides, we have recently initiated collaboration with a Japanese group of Osaka University in the field of the biocompatible materials in order to achieve functional tissues by 3D printing of modified polysaccharides (PHC SAKURA BIOSCAPTISS). To maintain the tree-dimensional structure an in-situ gelation process has been developed based on horseradish peroxidase (HRP) [18]. Reticulation is obtained through phenolic functional groups by enzymatic reaction involving HRP (enclosed pdf file provide Figure 1). Phenolic groups already present in mucilage bring the functional groups necessary to gelation by HRP enzymatic reaction. So they could be of interest in the elaboration of organic matrix composites enhancing composite tree-dimensional structure before and after thermo-compression. Similarly linseed mucilage could be tested in the field of the biocompatible materials. During the first part of the doctoral work, (i) the biochemical and physicochemical characterization of the two types of raw materials coming from different oil seeds cultivars will be carried out [19-20]; (ii) the mucilages will be modified by enzymatic gelation. The extraction step necessary to mucilages recovery could need operating parameters optimisation. During the second part (i) the organic and mineral matrix eco-materials will be designed taking into account the incorporation rate, grain size and shaping process according to experimental design approach; (ii) the mechanical, thermal and hydric properties of the elaborated eco-materials will be determined, as well as their behaviour over time. The aim of the last part will be to understand the interactions between, raw materials, process and eco-material in order to optimize eco-materials characteristics according to targeted application. Aid-decision and machine learning methods could be used in this part.