Dispersion de nanocristaux de cellulose dans une matrice thermoplastique - Effet des procédés de mise en oeuvre, état de dispersion, comportements rhéologique et mécanique

Dispersion of cellulose nanocrystals in a thermoplastic matrix - Effect of processing methods, state of dispersion, rheological and mechanical behaviour

• Auteur / Autrice : Mathieu Bugaut
• Direction : Aurélie Taguet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance en 2025
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PCH - Polymères, composites, hybrides
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : PCH - Polymères, composites, hybrides
• Jury : Président / Présidente : Julien Bras
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélie Taguet, Marie-Claude Heuzey, Nicolas Le moigne, Pierre Carreau, Matthieu Fumagalli, Romain Castellani, Philippe Zinck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Romain Castellani, Philippe Zinck

Mots clés

Mots clés libres

Nanocristaux de cellulose

Nanocomposites

Polymère thermoplastique

Microstructure

Rhéologie

Propriétés mécaniques

Cellulose nanocrystals

Nanocomposites

Thermoplastic polymer

Microstructure

Rheology

Mechanical properties

Résumé

Dans un contexte de transition écologique et d'épuisement des ressources fossiles, le développement de matériaux durables et performants est un enjeu majeur. Les composites à base de renforts végétaux et de matrices thermoplastiques semblent être une alternative prometteuse aux matériaux synthétiques conventionnels. Les composites à base de nanocristaux de cellulose (CNC) offrent une combinaison de propriétés intéressantes, telles que leur légèreté, rigidité, résistance mécanique, et dans certains cas leur biodégradabilité. Cependant, la distribution et dispersion homogène des CNC au sein d’une matrice polymère reste un défi majeur, limitant ainsi leur utilisation à grande échelle. L’objectif de cette thèse est d’évaluer l’impact de différents procédés de mise en œuvre, et leurs paramètres associés, pour améliorer la distribution et dispersion des CNC dans une matrice thermoplastique (l’alcool polyvinylique, PVA), et les propriétés mécaniques des composites résultants. Cette thèse explore et compare l’efficacité des procédés par voie solvant et fondue, en passant par des voies hybrides qui combinent ces deux approches, pour déceler les paramètres clés et donner des pistes pour une mise à l’échelle industrielle. L’enjeu global de ces travaux est donc la compréhension et l’amélioration des performances de composites à base de nanomatériaux cellulosiques, au moyen des procédés de mise en œuvre plasturgique, en couvrant les aspects des relations procédés-structure-propriétés.

In a context of ecological transition and depletion of fossil resources, the development of sustainable, high-performance materials is a major challenge. Composites based on plant reinforcements and thermoplastic matrices appear to be a promising alternative to conventional synthetic materials. Composites based on cellulose nanocrystals (CNC) offer a combination of interesting properties, such as lightness, stiffness, mechanical strength and, in some cases, biodegradability. However, the homogeneous distribution and dispersion of CNCs within a polymer matrix remains a major challenge, limiting their use on a large scale. The aim of this thesis is to evaluate the impact of different processing methods, and their associated parameters, in improving the distribution and dispersion of CNCs in a thermoplastic matrix (polyvinyl alcohol, PVA), and the mechanical properties of the resulting composites. This thesis explores and compares the efficiency of the solvent and melt processes, using hybrid routes that combine these two approaches, to identify the key parameters and point the way to industrial scale-up. The overall aim of this work is therefore to understand and improve the performance of composites based on cellulosic nanomaterials, using plastics processing techniques, covering the aspects of process-structure-properties relationships.