Dispersion de nanocelluloses dans des matrices polymères thermoplastiques

Dispersion of cellulose nanocrystals into thermoplastic polymers

• Auteur / Autrice : Mathieu Bugaut
• Direction : Aurélie Taguet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2021
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PCH - Polymères, composites, hybrides
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : PCH - Polymères, composites, hybrides

Mots clés

Mots clés libres

Rhéologie

Polymère thermoplastique

Microstructure

Nanocristaux de cellulose

Procédés en voie fondue

Microstructure

Melt process

Rheology

Thermoplastic polymer

Cellulose nanocrystals

Résumé

L'objectif de la thèse proposée est d'étudier la dispersion de nanocristaux de cellulose (CNCs) dans des matrices polymères thermoplastiques tout en veillant à utiliser des procédés propres et en limitant les étapes de préparation. Des travaux antérieurs ont été menés dans l'équipe PCH, en collaboration avec d'autres partenaires. Notamment, il a été montré, en partenariat avec l'Ecole Polytechnique de Montréal, qu'une étape de solvent-casting permettait de disperser des CNCs commerciaux dans un mélange de polymères à base de PLA/PBAT. De plus, il est possible de faire varier la localisation de ces CNCs dans le mélange et ainsi la morphologie du nanocomposite. D'autres travaux, en partenariat avec le LGP2 (INP Grenoble) et l'INRAe (Nantes), sur les composites biosourcés à structure hiérarchique ont montré l'intérêt de localiser les nanocelluloses aux interfaces matrice / renforts fibreux pour améliorer les performances mécaniques des composites. La dispersion des CNCs dans des matrices thermoplastiques demeure néanmoins un challenge scientifique et technologique. Ainsi la thèse proposée ici vise à étudier les conditions et paramètres opératoires qui permettraient de s'affranchir de l'étape de solvent-casting et de disperser les CNCs dans des matrices polymères thermoplastiques par voie fondue. Différents types de CNCs seront utilisés (grades commerciaux ou synthétisés en laboratoire). Ces CNCs seront dispersés en voie fondue dans des matrices polymères (différentes voies d'extrusion et de mise en forme injection/impression 3D), et les nanocomposites caractérisés en terme de comportement rhéologique et de microstructure pour évaluer l'état de dispersion des CNCs. Le comportement thermomécanique des nanocomposites ainsi développés sera étudié.

The objective of the proposed thesis is to study the dispersion of cellulose nanocrystals (CNCs) in thermoplastic polymer matrices while ensuring the use of clean processes and limiting the preparation steps. Previous work has been done in the PCH team, in collaboration with other partners. In particular, it has been shown, in partnership with the Ecole Polytechnique de Montréal, that a solvent-casting step made it possible to disperse commercial CNCs in a polymer blend based on PLA / PBAT. In addition, it is possible to vary the location of these CNCs in the blend and thus the morphology of the nanocomposite. Other work, in partnership with LGP2 (INP Grenoble) and INRAe (Nantes), on biobased composites with a hierarchical structure has shown the interest of locating nanocelluloses at the matrix / fiber reinforcement interfaces to improve the mechanical performance of composites. Nevertheless, the dispersion of CNCs in thermoplastic matrices remains a scientific and technological challenge [5]. Thus, the thesis proposed here aims to study the operating conditions and parameters which would make it possible to dispense with the solvent-casting step and to disperse the CNCs in thermoplastic polymer matrices by a melt-processing. Different types of CNCs will be used (commercial grades or synthesized in the laboratory). These CNCs will be melt blended in polymer matrices (different extrusion and injection / 3D printing routes), and nanocomposites characterized in terms of rheological behavior and microstructure to assess the state of dispersion of the CNCs. The thermomechanical behavior of the developed nanocomposites will be studied.